UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química
DDIISSSSEERRTTAAÇÇÃÃOO DDEE MMEESSTTRRAADDOO
FFlláávviiaa GGaarrrreetttt AAzzeevveeddoo
Recife/PE
Fevereiro/2010
P
P
E
Q
PPEQ - Programa de Pós-Graduação
em Engenharia Química
CEP. 50740-521 – Cidade
Universitária- Recife - PE Telefax: 0-xx-81- 21267289
LLiinnhhaa ddee PPeessqquuiissaa::EEnnggeennhhaarriiaa QQuuíímmiiccaa
GGeerraall:: PPrroocceessssooss QQuuíímmiiccooss ee BBiiooqquuíímmiiccooss
EEssppeeccííffiiccaa:: BBiiootteeccnnoollooggiiaa
ESTUDO DAS CONDIÇÕES AMBIENTAIS PARA
PRODUÇÃO DE BIOGÁS A PARTIR DE GLICEROL
CO-PRODUTO DO BIODIESEL
Nº: 131
OOrriieennttaaddoorraa:: PPrrooff.. DDrraa.. MMaarriiaa ddee LLooss AAnnggeelleess PPeerreezz FF.. PPaallhhaa Prof. D
UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO
CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
ESTUDO DAS CONDIÇÕES AMBIENTAIS PARA PRODUÇÃO DE
BIOGÁS A PARTIR DE GLICEROL CO-PRODUTO DO
BIODIESEL
Flávia Garrett Azevedo
OOrriieennttaaddoorraa:: PPrrooff.. DDrraa.. MMaarriiaa ddee LLooss AAnnggeelleess PPeerreezz FF.. PPaallhhaa
Recife
Fevereiro, 2010
iii
______________________________________________________________________
ESTUDO DAS CONDIÇÕES AMBIENTAIS PARA PRODUÇÃO DE
BIOGÁS A PARTIR DE GLICEROL CO-PRODUTO DO
BIODIESEL
Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado do Programa
de Pós-Graduação em Engenharia Química da Universidade
Federal de Pernambuco, como requisito à obtenção do título
de Mestre em Engenharia Química.
LLiinnhhaa ddee PPeessqquuiissaa::EEnnggeennhhaarriiaa QQuuíímmiiccaa
GGeerraall:: PPrroocceessssooss QQuuíímmiiccooss ee BBiiooqquuíímmiiccooss
EEssppeeccííffiiccaa:: BBiiootteeccnnoollooggiiaa
Orientadora: Profª Drª Maria de Los Angeles Fernandez Perez Palha
Recife
Fevereiro, 2010
iv
______________________________________________________________________
A994e Azevedo, Flávia Garrett
Estudos das condições ambientais para a produção de biogás a partir de glicerol co-produto do biodiesel / Flávia Garrett Azevedo. - Recife: O Autor, 2010.
xiii, 88 folhas; il., tabs. Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de Pernambuco.
CTG. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, 2010. 1. Engenharia Química. 2. Biogás . 3. Metano 4. Dejetos bovinos.
5. Concentração de glicerina I. Título. 660.2 CDD (22. ed.) UFPE/BCTG/2010-081
v
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vi
______________________________________________________________________
Agradecimentos
Aos meus queridos pais que me estimularam, incentivaram e acreditaram em
meu potencial, sem os seus incentivos não teria me inscrito no mestrado.
A coordenação do curso de mestrado em Engenharia Química da UFPE, que me
permitiu o ingresso neste curso;
A CAPES pelo apoio financeiro recebido;
Ao Prof. Dr. César A. M. de Abreu e ao Dr. Henrique Baudeu por terem me
estimulado a continuação do mestrado.
A minha orientadora, Prof.ª Dra. Maria de Los Angeles Fernandez Perez Palha
por ter me aceitado como aluna e por suas orientações, neste projeto de
mestrado;
A Leonardo Finkler pelo apoio no início dos trabalhos práticos;
Ao Prof. Dr. Nelson Medeiros pelo incentivo e apoio científico sempre que foi
solicitado;
A todos do Laboratório de Microbiologia, especificamente da equipe de Biogás
no envolvimento no trabalho.
Ao Matadouro de Paulista que me proporcionou as coletas dos dejetos bovinos.
A companhia de meu marido em todos os momentos deste meu trabalho.
vii
______________________________________________________________________
Dedico este trabalho aos meus pais, Flávio e Graça, aos
meus filhos Matheus e Mighuel e meu marido Marcelo.
viii
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RESUMO
O presente trabalho teve como objetivo avaliar a produção de biogás a partir da
glicerina bruta oriunda do biodiesel, utilizando-se dejetos bovinos como inóculo, o
processo foi conduzido sob diferentes concentrações de glicerina em 20%, 25%, 30% e
40% (M/M) e inóculo de 10%, 20% e 30%(M/M). Os dejetos bovinos foram diluídos
em solução nutriente preparada em água destilada utilizando-se para um 1L: K2HPO4
(Fosfato dibásico de potássio) - 2g; KH2PO4 (Fosfato monobásico de potássio) - 20g e
Uréia – 3,5g. As fermentações tiveram seu pH variados em 5,8, 6,6 e 8,0 e incubadas à
35° C sem agitação. Foram utilizados micro-reatores com volume útil de 40 mL
hermeticamente fechados acopladas a uma seringa de 10 mL. Com o volume de biogás
produzido foi realizado a avaliação cinética fenomenológica do processo de produção
de biogás. Através do Kit EMBRAPA, foi avaliada a quantidade de metano de dióxido
de carbono por estimativa em cada amostra. O tempo de fermentação foi em média 216
horas. Observou-se que as condições em que a concentração de glicerina foi
20%(M/M), pH 5,8 e concentração de inóculo 30%(M/M), a maior produção de biogás.
Por outro lado, ao se estudar o efeito da concentração de glicerina para produção de
biogás, verificou-se que a concentração de 40%(M/M), foi inibitória em todos os
estudos.
Palavras-chave: Biogás, Metano, dejetos bovinos, concentração de glicerina
ix
______________________________________________________________________
ABSTRACT
This study aimed to evaluate the production of biogas from the crude glycerin coming
from the biodiesel, using cattle manure as inoculum, the process was conducted under
different concentrations of glycerin in 20%, 25%, 30% and 40% ( M / M) and inoculum
of 10%, 20% and 30% (M / M). The cattle manure were diluted in nutrient solution
prepared using distilled water to a 1L: K2HPO4 (dibasic potassium) - 2g, KH2PO4
(potassium phosphate monobasic) - 20g and Urea - 3.5 g. Fermentation had varied in
their pH 5.8, 6.6 and 8.0 and incubated at 35 ° C without agitation. We used micro-
reactors with a volume of 40 mL sealed coupled to a 10 mL syringe. With the volume of
biogas was conducted to assess the phenomenological kinetic process of biogas
production. By Kit EMBRAPA, we evaluated the amount of methane from carbon
dioxide estimation in each sample. The fermentation time was on average 216 hours. It
was observed that the conditions in which the concentration of glycerol was 20% (M /
M), pH 5.8 and inoculum concentration 30% (M / M), the largest production plant.
Furthermore, when studying the effect of the concentration of glycerin for biogas
production, it was found that the concentration of 40% (M / M) was inhibitory in all
considerations.
Keywords: Biogas, methane, bovine manure, concentration of glycerin
x
______________________________________________________________________
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS.....................................................................................................x
LISTA DE TABELAS...................................................................................................xii
NOMENCLATURA.....................................................................................................xiii
1-INTRODUÇÃO...........................................................................................................10
2-REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................................... 13
2.1. Definição e Histórico do Biogás...............................................................................13
2.2. Biogás: Obtenção de energia utilizável, características e propriedades...................15
2.2.1. O metano...............................................................................................................16
2.2.2. Poder Calorífero....................................................................................................17
2.3. Processo de Fermentação anaeróbia.........................................................................18
2.4. Tipos de Bioreatores(biodigestores) e suas aplicações.............................................23
2.5. Importância do biogás ao para o meio ambiente......................................................27
2.6. Biogás : Fonte de energia alternativa.......................................................................29
2.7. Vantagens e Aplicações do biogás...........................................................................30
3.Modelos Matemáticos...................................................................................................38
4. MATERIAIS E MÉTODOS........................................................................................46
4.1.Pesquisa das condições ideais....................................................................................46
4.1.2. Inóculo...................................................................................................................46
4.1.3.Concentração de inóculo e substrato......................................................................46
4.1.4.Preparação do meio de cultura...............................................................................48
4.1.5.Estudo do efeito do pH no processo de produção de metano.................................48
4.1.6.Temperatura............................................................................................................48
4.2.Processo no biorreator...............................................................................................48
4.2.1.Produção de biogás................................................................................................49
4.3.Estudo Cinético.........................................................................................................50
4.3.1.Micro-organismos..................................................................................................50
4.4.Fase gasosa...............................................................................................................50
4.4.1 Coleta das amostras................................................................................................51
4.4.2.Quantificação do biogás.........................................................................................51
xi
______________________________________________________________________
4.5 Condições dos experimentos....................................................................................52
5.RESULTADOS E DISCUSSÕES...............................................................................53
5.1.Efeito do substrato em pH 5,8 nas concentrações de 20%(M/M), 25%(M/M),
30%(M/M) e 40%(M/M) de glicerina e concentração de inóculos (dejetos bovinos)
10%(A1,B1,C1 e D1), 20%(A2, B2, C2 e D2), e 30%(A3, B3, C3 e D3).....................53
5.1.2.Avaliação da Produção de Biogás em % de CO2 e Metano nas amostras em pH 5,8
nas concentrações de 20%, 25% e 30% de glicerina......................................................56
5.2. Efeito do substrato em pH 6,6 nas concentrações de 20%(M/M), 25%(M/M),
30%(M/M) e 40%(M/M) de glicerina e concentrações de inóculos (dejetos bovinos)
10%(A1,B1,C1 e D1), 20%(A2, B2, C2 e D2), e 30%(A3, B3, C3 e
D3)...................................................................................................................................57
5.2.1. Avaliação da Produção de Biogás em % de CO2 e Metano nas amostras em pH
6,6 nas concentrações de 20%,25% e 30% de glicerina..................................................60
5.3. Efeito do substrato em pH 8.0 nas concentrações de 20%(M/M), 25%(M/M),
30%(M/M) e 40%(M/M) de glicerina e inóculos 10%(A1, B1, C1 e D1), 20%(A2, B2,
C2 e D2), e 30%(A3, B3, C3 e D3)................................................................................61
5.4. Efeito da Concentração de glicerina nas concentrações de 10%,20%,25%, 30% e
40% de glicerina, com concentração de inóculo 30%(M/M) e pH 5,8 na Produção de
Metano.............................................................................................................................62
5.5. Avaliação da Cinética Fenomenológica do Processo de Produção de biogás..........65
5.Conclusão.....................................................................................................................69
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS........................................................................71
7. APÊNDICE A.............................................................................................................78
8. APÊNDICE B.............................................................................................................81
9. APÊNDICE C.............................................................................................................84
xii
______________________________________________________________________
LISTA DE FIGURAS
FIGURA - 1. - Biodigestor Modelo Indiano (Fonte:DEGANUTTI et al.,
2005)................................................................................................................................14
Figura 2: Biodigestor Modelo Chinês (Fonte:DEGANUTTI et al.,
2005)................................................................................................................................15
Figura 3: Representação esquemática do processo anaeróbio com os principais grupos
de bactérias: (1) hidrolíticas fermentativas: (2) acetogênicas produtoras de hidrogênio;
(3) homoacetogênicas; (4) metanogênicas (Fonte:VITORATTO et al., 2004)
(........................................................................................................................................20
Figura 4: Biodigestor Modelo Batelada (Fonte:DEGANUTTI et al.,
2005)................................................................................................................................24
Figura 5: Biorreator em micro-escala utilizados na produção de
biogás...............................................................................................................................47
Figura 6- Estufa de acondicionando dos biorreatores.....................................................47
Figura 7- Montagem experimental de biorreator (unidade de
bancada)...........................................................................................................................49
Figura 8- Kit Biogás Embrapa........................................................................................49
Figura 9- Análise do biogás............................................................................................51
Figura 10- Efeito das concentrações do substrato em pH 5,8 nas concentrações de
glicerina de 20% (A) e 25% (B)e inóculo 10%(A1 e B1), 20%(A2 e B2), e 30%(A3 e
B3)...................................................................................................................................54
Figura 11- Efeito da concentração do substrato em pH 5,8 nas concentrações de
glicerina de 30% e 40% e inóculos de 10%, 20% e 30%................................................55
Figura 12- Efeito das concentrações do substrato em pH 5,8 nas concentrações de
glicerina de 20%, 25% , 30% e 40% e inóculos de 10%, 20% e 30%. ..........................56
Figura 13- Análise em Porcentagem do Metano e CO2 , em pH 5,8..............................57
Figura 14- Efeito das concentrações do substrato em pH 6,6 nas concentrações de
glicerina de 20% e 25% e inóculos 10%, 20% e 30%.....................................................58
Figura 15- Efeito da concentração do substrato em pH 6,6 nas concentrações de
glicerina de 30% e 40% de inóculos de 10%, 20% e 30%..............................................59
xiii
______________________________________________________________________
Figura 16- Efeito das concentrações do substrato em pH 6,6 nas concentrações de
glicerina de 20%, 25%, 30% e 40% e inóculos 10%(A1, B1, C1 e D1), 20%(A2, B2, C2
e D2), e 30%(A3, B3, C3 e D3)......................................................................................60
Figura 17- Avaliação em porcentagem do metano e CO2 em pH 6,6.............................61
Figura 18- Avaliação em porcentagem de metano, na concentração de 30%(M/M) de
inóculo, em pH 5,8 nas concentrações de 10%(M/M), 20%(M/M), 25%(M/M),
30%(M/M) e 40%(M/M) de glicerina.............................................................................63
Figura 19- Amostras em pH 5,8 , 6,6 e 8,0.....................................................................64
Figura 20- Mecanismo Fenomenológico proposto para formação do biogás.................65
Figura 21- Mecanismo Simplificado do processo de produção do biogás a partir do
glicerol e inóculos de dejetos bovinos.............................................................................65
Figura 22- Estudo cinético da formação do biogás nas condições operatórias (20% de
gicerina, 30% de inóculo em pH 5,8 sob temperatura de 35º C sem agitação)...............68
Figura 23: Suporte para determinação de gás carbônico no biogás................................79
xiv
______________________________________________________________________
LISTA DE TABELAS
Tabela1:Equivalente energética de 1m3 de biogás e outros energéticos.........................18
Tabela 2: Os principais gases de efeito estufa e seus respectivos potenciais de
aquecimento global (GWP)(Fonte: Brasil ,2001)............................................................28
Tabela 3: Quantidade de material em Kg para produção de 1m3 de biogás (Fonte:
Barrera, 1993)..................................................................................................................34
Tabela 4: Vantagens e desvantagens dos processos anaeróbios (Fonte: Schmitt et al.,
2006)................................................................................................................................35
Tabela 5: Diferentes substratos para biodigestores e sua conversão em biogás ( Fonte:
TAIGANIDES , 1977).....................................................................................................36
Tabela 6. Valores estabelecidos para os níveis das variáveis de trabalho......................52
Tabela 7- Produção de Biogás em ml com pH 5.8.........................................................81
Tabela 8- Produção de Biogás mL em pH 6,6................................................................82
Tabela 9- Produção de Biogás mL em pH 8,0...............................................................83
Tabela 10- Valores do Mecanismo Fenomenológico do biogás em vários intervalos de
tempo...............................................................................................................................85
xv
______________________________________________________________________
NOMENCLATURA
k CONSTANTE CINÉTICA DE 1° ORDEM
sk CONSTANTE DE SATURAÇÃO(G/ML)
X CONCENTRAÇÃO MICROBIANA (G/ML)
y COEFICIENTE DE RENDIMENTO
m SUBSTRATO GASTO EM MANUTENÇÃO CELULAR
max VELOCIDADE MÁXIMA ESPECÍFICA DE CRESCIMENTO(G/ML)
x VELOCIDADE ESPECÍFICA DA CRESCIMENTO CELULAR(G/ML)
Ik CONSTANTE DE INIBIÇÃO
S CONCENTRAÇÃO DO SUBSTRATO FINAL
0S CONCENTRAÇÃO DO SUBSTRATO INICIAL
TRH TEMPO DE RETENÇÃO HIDRÁULICA
B VOLUME DE METANO PRODUZIDA
q PRODUTIVIDADE DE METANO FINAL
m axq PRODUTIVIDADE MÁXIMA DE METANO
0q PRODUTIVIDADE DE METANO INICIAL
BGP PRESSÃO DO BIOGÁS
SolV VOLUME DA SOLUÇÃO NO BIORREATOR
B G TAXA DA REAÇÃO DO BIOGÁS
BGF FLUXO MOLAR DO BIOGÁS
GC CONCENTRAÇÃO DO GLICEROL
GN NÚMERO DE MOLS DO GLICEROL
Dissertação de Mestrado – FLÁVIA GARRETT AZEVEDO
ESTUDO DAS CONDIÇÕES AMBIENTAIS PARA PRODUÇÃO DE BIOGÁS A PARTIR DE GLICEROL COPRODUTO DO BIODIESEL-2010.
10
1. INTRODUÇÃO
A crescente necessidade de combustíveis renováveis leva a implementação de
pesquisas com a finalidade de utilizar fontes de energia renováveis e economicamente
viáveis. Como uma alternativa nesse contexto, destaca-se a produção industrial de
biodiesel, obtido a partir de óleos e gorduras vegetais e animais, resultando como
subproduto o glicerol.
Levando-se em consideração os recursos limitados do óleo fóssil, o aumento de
preço do óleo cru e, principalmente, a necessidade de preservação do meio ambiente, os
óleos vegetais e gorduras animais têm sido pesquisados como matéria-prima para
produção de biodiesel (RESENDE et al., 2005). Esse biocombustível se caracteriza não
só por oferecer um impacto ambiental mais baixo em relação aos combustíveis fósseis,
mas por ter viscosidade e ponto de ebulição apropriada, ser simples de utilizar,
biodegradável e não tóxico (PINTO et al.,2005), além disso, vem ajudando o país a
substituir parte do combustível fóssil importado.
O Governo Federal havia definido o acréscimo de 2% de biodiesel no diesel
comum a partir de 2008 e a seguir, um aumento progressivo teria lugar, começaria com
o B2 (2%) e gradativamente, ano a ano, chegaria em 2013 com o B5. No entanto com o
desenrolar da história, o programa mostrou-se vitorioso e por conta disso, o CNPE
(Comitê Nacional de Política Energética) aumentou de 2% para 3% a quantidade de
biodiesel adicionada ao diesel vendido nos postos brasileiros já a partir de 1 de julho de
2008 (resolução publicada no Diário Oficial de 14/03/2008, RODRIGUES, 2008). Em
2009 o Brasil utilizou o B4, Diesel com 4% de biodiesel. E a partir de primeiro de
janeiro de 2010 foi iniciado o uso da mistura de 5% do biodiesel ao Diesel (B5).
Segundo Luna (2010) “O Brasil vai economizar divisas da ordem de 1,4 bilhão de
dólares por ano com o início do uso da mistura B5, iniciada em 1° de janeiro, previu a
Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP). Estudo feito pela
autarquia no final do ano passado indicou ainda que cada litro da nova mistura também
diminui em 3% a emissão de gás carbônico na atmosfera, além de reduzir a emissão de
material particulado”.
Dissertação de Mestrado – FLÁVIA GARRETT AZEVEDO
ESTUDO DAS CONDIÇÕES AMBIENTAIS PARA PRODUÇÃO DE BIOGÁS A PARTIR DE GLICEROL COPRODUTO DO BIODIESEL-2010.
11
A glicerina, conhecida por glicerol, é um constituinte natural de óleos e graxas.
Esta substância, que emerge como sub-produto do processo de produção de biodiesel
pode atingir até 20% em peso do biodiesel, sendo metade constituída de impurezas,
predominantemente sabões de ácidos graxos originários do óleo ou gordura. A glicerina
purificada representa cerca de 10% da massa de biodiesel produzido, ou seja, a cada
metro cúbico de biodiesel serão produzidos como sub-produto, 100 kg de
glicerol(MOTA et al., 2009).
Com isso, haverá um aumento na produção de biodiesel e, conseqüentemente,
um aumento na oferta nacional de glicerina, já que cerca de 10% do produto formado na
reação de obtenção deste biocombustível é glicerina (PINTO, 2005). Conforme Ferrari
et al., (2005) a mistura de 2% de biodiesel resulta na oferta nacional de 800 milhões de
litros/ano, acarretando em 80 milhões de toneladas de glicerina bruta por ano, o que
gera excedente, já que o consumo nacional de glicerina é de aproximadamente 14.080
ton/ano.
Como o mercado energético é considerado ilimitado, a oferta de glicerina deverá
ser enorme, ultrapassando em muito a demanda de suas aplicações tradicionais. Embora,
a glicerina brasileira já tenha inúmeras aplicações, especialmente como matéria-prima
na indústria farmacêutica e de cosméticos, o mercado químico atual brasileiro
certamente não terá como absorver tamanha oferta. Isso causará grandes reduções de
preço do glicerol, fator negativo na formação dos custos do biodiesel e, em
conseqüência, em competitividade com o diesel petroquímico.
O glicerol ou propano-1,2,3-triol (IUPAC, 1993) é um composto orgânico
pertencente à função álcool. É líquido à temperatura ambiente (25 °C) e , além disso é
higroscópico, inodoro, viscoso e de sabor adocicado. Pode ser utilizado diretamente em
diferentes processos como, por exemplo, substituir o sorbitol em alimentos como
umectante e agente suavizante em doces, bolos e sorvetes, retardando a cristalização do
açúcar; é utilizado como solvente e agregador de consistência em flavorizantes e
corantes; pode ser matéria prima para produção de polímeros, como poliglicerol, que é
adicionado em margarinas. Ainda pode ocorrer a quebra desta molécula por vias
químicas ou biológicas resultando em diferentes compostos (KIRK, 2007).
Dissertação de Mestrado – FLÁVIA GARRETT AZEVEDO
ESTUDO DAS CONDIÇÕES AMBIENTAIS PARA PRODUÇÃO DE BIOGÁS A PARTIR DE GLICEROL COPRODUTO DO BIODIESEL-2010.
12
Por via química o glicerol pode ser convertido, por exemplo, na indústria de
papel na fabricação de alguns papéis especiais, que necessitam de alguns agentes
plastificantes para conferir-lhes maleabilidade e tenacidade. Por via biológica pode ser
convertida em CO2 (COSTA 2000), álcoois e biogás (TAIAGANIDES, 1980). O
biogás basicamente é composto de uma mistura de gases contendo principalmente
metano e dióxido de carbono, encontrando-se ainda em menores proporções gás
sulfídrico e nitrogênio (DEGANUTTI et al., 2005).
O processo de biodigestão anaeróbia é uma das alternativas utilizadas para o
tratamento de resíduos, pois reduz o potencial de contaminação, produz biogás e
permite o uso do resíduo final como biofertilizante. A utilização do biogás proveniente
de lixo e dejetos sanitários como insumo para produção de energia representa grande
benefício socioambiental. Esse tipo de projeto proporciona vantagens, principalmente
para os grandes centros urbanos, devido à redução de emissões de poluentes, como o
metano, gás de grande impacto no efeito estufa e que, em média, corresponde a 50% do
volume do biogás (FLORENTINO, 2003).
O Biodiesel tem se tornado uma alternativa importante aos combustíveis fósseis
e sua produção mundial tem crescido exponencialmente desde os anos 90. Essa
produção crescente, cuja previsão é o B20 em 2018, justifica a necessidade de encontrar
formas que utilizem esse excedente em glicerina, bruta e impura de pH e mistura
variável, dependente da origem do óleo ou gordura utilizado na produção de biodiesel.
Devido a seu baixo valor comercial, por conta dessas impurezas, esse glicerol bruto ou
glicerina precisa ser purificado para usos nobres como o farmacêutico ou alimentício,
que devido ao excesso de produção desse co-produto, o tornará economicamente
inviável para esses fins. Por conta disso, o presente trabalho teve como finalidade
estudar a produção de biogás tendo como principal fonte de carbono a glicerina e como
inóculo dejetos bovinos. Para isso analisou-se o efeito da concentração da glicerina e do
inóculo em diferentes condições de pH, a temperatura constante de 35ºC.
Dissertação de Mestrado – FLÁVIA GARRETT AZEVEDO
ESTUDO DAS CONDIÇÕES AMBIENTAIS PARA PRODUÇÃO DE BIOGÁS A PARTIR DE GLICEROL COPRODUTO DO BIODIESEL-2010.
13
2. OBJETIVOS
2.1 - OBJETIVO GERAL:
Definição das melhores condições ambientais para a produção de biogás a partir
da glicerina utilizando micro-organismos presentes em dejetos bovinos.
2.2 - OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
2.2.1 – Determinar o melhor meio para produção de biogás utilizando o glicerol
como fonte de carbono.
2.2.2 - Definir as melhores condições para produção de biogás, a partir das variáveis
de trabalho, pH, concentração de glicerina e concentração de inóculo;
2.2.3- Determinar teoricamente os parâmetros de produção de Biogás.
2.2.4- Determinar a composição do biogás produzido.
Dissertação de Mestrado – FLÁVIA GARRETT AZEVEDO
ESTUDO DAS CONDIÇÕES AMBIENTAIS PARA PRODUÇÃO DE BIOGÁS A PARTIR DE GLICEROL COPRODUTO DO BIODIESEL-2010.
14
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Este capítulo tem como objetivo apresentar alguns trabalhos sobre a produção de
biogás no mundo, seus benefícios e implicações econômicas e sociais. Serão
apresentados as principais características, funções e modelos mais conhecidos de
biodigestores, bem como as características específicas da biomassa, do biogás, e do
biofertilizante, as formas de utilização dos mesmos, além da descrição dos danos
causados por essa matéria prima quando rejeitada no meio-ambiente.
3.1. Histórico do Biogás
O biogás é uma mistura gasosa composta principalmente de metano (CH4) em
uma faixa de 40% à 70% (V/V); dióxido de carbono (CO2) de 30% á 60%(V/V), além
de outros gases que se encontram em menores concentrações tais como hidrogênio (H2)
de 0% a 1%(V/V), gás sulfídrico (H2S) de 0% á 3% (V/V). O poder calorífico do
biogás é aproximadamente 6 kWh/m3, o que corresponde a aproximadamente meio litro
de óleo diesel (NOGUEIRA, 1986).
O biogás é produzido através da digestão anaeróbia de matéria orgânica
realizada por bactérias na ausência de oxigênio. Ocorre naturalmente em pântanos,
mangues, rios e lagos, produzindo principalmente os gases metano e carbônico que são
liberados para a atmosfera. Os produtos finais do processo anaeróbio são compostos
inorgânicos, incluindo o dióxido de carbono, amônia e o metano, sendo este último
utilizado como fonte alternativa de energia (SOUZA et al., 2007). O histórico do
biogás registra que na antiguidade, em civilizações desenvolvidas como a Egípcia,
utilizavam a fermentação anaeróbia e obtinham o biogás, utilizando-o nas iluminações
das pirâmides (SCHNEIDER, 2009).
Segundo Classen; Lier; Stamrs, (1999), a data de descoberta do biogás, ou "gás
dos pântanos" é do ano de 1667, mas só um século mais tarde é que tem-se a primeira
comprovação experimental obtendo metano através de gás dos pântanos; atribuído a
Alessandro Volta, em 1776 na Itália, como resultado da decomposição de restos vegetais
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em ambientes confinados. Em 1806, na Inglaterra, Humphrey Davy identificou um gás
rico em carbono e dióxido de carbono, resultante da decomposição de dejetos animais
em lugares úmidos (NOGUEIRA, 1986). No século XIX, Ulysse Gayon realizou a
fermentação anaeróbia de uma mistura de estrume e água, conseguindo obter 100 litros
de gás por m3 de matéria prima. Em 1895, teve lugar a primeira experiência européia,
com a utilização do biogás para iluminação de algumas ruas da cidade de Exter, na
Inglaterra. Mas apenas na década de 40 utilizou-se o biogás no aquecimento de casas
para alimentação de motores de combustão interna (BARRERA, 1993).
Na Índia (1857), na cidade de Bombain, foi construída em um hospital a
primeira instalação operacional destinada a produção de biogás combustível. Na
Alemanha (1920) foi feita uma importante contribuição à digestão anaeróbia por Karl
Imhoff que desenvolveu um tanque digestor chamado de tanque de Imhoff (Nogueira
1986, citado por GASPAR 2003).
A popularização do biodigestor anaeróbio para produção de biogás foi feita na
Índia com a criação do Instituto Indiano de Pesquisas Agrícolas, em Kampur (1939),
onde se desenvolveu a primeira usina de gás de dejetos. A partir de 1950 iniciaram-se
pesquisas e a difusão de biodigestores como uma forma de tratar esses resíduos e obter
combustível sem perder o efeito fertilizante. Nessa época foram construídas mais de 500
mil unidades digestoras no norte da Índia denominadas de biodigestores modelo
Indiano(Figura 1).
Figura 1- Biodigestor Modelo Indiano (Fonte: DEGANUTTI et al., 2005)
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A China como na Índia ocorreu a utilização intensa de biodigestores. Entre 1958
e 1972 foram instaladas mais de 7.2 milhões de biodigestores modelo Chinês (Figura 2).
A partir da crise energética dos anos 70, o gás metano dos digestores anaeróbios
voltou a despertar o interesse geral conduzindo a um aumento da sua produção em
países europeus e americanos (SGANZELA, 1983). Segundo Chambers e Potter (2002),
a aplicação da digestão anaeróbia na América do Norte encontrava-se por essa época,
predominantemente, na estabilização de lodo de esgoto urbano e no tratamento
anaeróbio de efluentes industriais e agropecuários. E desta forma tem sido tratado por
vários países ocidentais, encarado como um subproduto, obtido a partir da
decomposição anaeróbia de lixo urbano, resíduos animais e de lamas provenientes de
estações de tratamento de efluentes industriais ou domésticos. No entanto, o acelerado
desenvolvimento econômico dos últimos anos, a possível escassez de combustíveis
fósseis e o aumento no preço desses combustíveis convencionais vêm encorajando
investigações para a produção de energia renovável de fontes alternativas e
economicamente atrativas, entre estas a produção de biogás.
3.2. Biogás: Obtenção de energia utilizável, características e propriedades
Atualmente, muito se discute sobre a importância de se buscar novas rotas
alternativa de energia, já que há previsões de escassez do petróleo. Nesse aspecto, os
óleos vegetais têm atraído a atenção como fonte renovável em potencial para produção
Figura 2- Biodigestor Modelo Chinês (Fonte: DEGANUTTI et al., 2005)
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de biodiesel como combustível alternativo ao diesel de petróleo (MACEDO &
MACEDO 2004). O biodiesel reduz significativamente a emissão de gases, como
partículas de carbono e monóxidos de carbono, possibilita a redução de importações de
petróleo e diesel refinado, além de gerar trabalho, principalmente no setor primário,
pelo cultivo de oleaginosas (COSTA 2000). O biodiesel (mistura de ésteres metílicos ou
etílicos) é produzido a partir da transesterificação de óleos vegetais tendo como co-
produto, ou subproduto, a glicerina bruta na proporção em torno de 10 a 12% p/p (ISO
et al., 2001),
Devido as suas propriedades físico-químicas, a glicerina apresenta uma ampla
variedade de aplicações. O fato de não ser tóxica, incolor e inodora, são aspectos
apreciados pela indústria. A glicerina pode ser utilizada como amaciante em produtos
de panificação, tornando os produtos mais macios e crocantes. Devido a sua viscosidade
permite sua adição em xaropes, constituindo um importante insumo na indústria,
farmacêutica, cosmética e alimentar. Além disso, trata-se ainda, de um bom solvente
para muitos compostos orgânicos e inorgânicos (FELIZARDO, 2003).
Graças ao seu alto teor de carbono facilmente degradável, a glicerina possui
propriedades favoráveis à digestão anaeróbia em biodigestores, quando associada a
resíduos orgânicos com alto teor de nitrogênio (ROBRA et al., 2006).
Os estudos mostraram que é possível preparar derivados metilados e acetilados
da glicerina com excelentes seletividades e sob condições reacionais brandas, sendo
uma ótima opção para o aproveitamento do excesso de glicerina produzida juntamente
com o biodiesel (GONÇALVES et al., 2005).
3.2.1. O metano
O metano que é o gás predominante na composição do biogás é inodoro,
insípido e incolor. Devido à presença do metano, o biogás é um gás inflamável, com
valores caloríficos que variam conforme a porcentagem de metano. Com isso, é possível
a utilização do biogás como substituto de alguns combustíveis. O biogás pode ser usado
em fogões, geladeiras, aquecedores, lampiões, ferros de passar roupa, refrigeradores,
motores e geradores dentre muitos outros equipamentos que podem ser adaptados para
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funcionar com o biogás. Para o uso do biogás em motores e outros equipamentos,
recomenda-se a retirada do H2S que é corrosivo (RANZI & ANDRADE 2003).
Em função da porcentagem com que o metano participa na composição do
biogás, o poder calorífico deste pode variar de 5.000 a 7.000 kcal por metro cúbico.
Esse poder calorífico pode chegar a 12.000 kcal por metro cúbico uma vez eliminado
todo o gás carbônico da mistura (DEGANUTTI et al., 2005). Por conta disso, o metano
pode ser usado para a produção de energia elétrica através de sua combustão dentro de
motogeradores que movem turbinas. Projetos desse tipo são de grande importância, pois
diferentes fontes de energia alternativa podem atualmente ser diversificadas ou
melhoradas ( SILVA et al., 2008).
3.2.2. Poder Calorífero
O poder calorífico do biogás depende do percentual de metano (CH4) nele
existente. O metano puro, em condições normais (pressão a 1,0 atm e temperatura de
0ºC), possui um poder calorífico de 9,9 kWh/m3, ao passo que o biogás com
concentração de metano que varia entre 50% e 80% tem um poder calorífico inferior, de
4,95 a 7,9 kWh/m3. Segundo Magalhães et. al., (2004), em termos de poder calorífico
por unidade de massa, o biogás oriundo de biodigestão (67% de CH4) teve um poder
calorífico de 7,53 kWh/kg, enquanto que com o biogás purificado (85% de CH4), um
poder calorífico de 11,86 kWh/kg.
A equivalência energética do biogás em relação a outros energéticos é
determinada levando-se em conta o poder calorífico e a eficiência média de combustão.
A tabela 1 mostra a relação entre o biogás e outros energéticos, em termos de
equivalência energética (OLIVA, 2002).
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Tabela1- Equivalente energética de 1m3 de biogás e outros energéticos (OLIVA et
al., 2002).
NOGUEIRA et
al., 1986
MOTTA et al.,
1986 FERRAZ & MACIEL
1980
Gasolina(L) 0,61 0,70 0,61
Querosene(L) 0,62 0,58
Diesel(L) 0,55 0,55
GLP(Kg) 1,43 0,40 0,45
Álcool(L) 0,80
Carvão mineral(Kg) 0,74
Lenha(Kg) 3,5
Eletricidade(KWh) 1,25 1,43 Fonte: NOGUEIRA et al., 1986; MOTTA et al. 1986; FERRAZ & MACIEL 1980.
Avaliando-se o poder calorífico do biogás ou deste purificado, verifica-se que
investir em pesquisas da biodigestão de matérias-primas economicamente viáveis e que
se prestem a produção de biogás é interessante; isso pode equilibrar a economia do país,
viabilizar o biogás e diminuir os níveis de poluição ambiental.
3.3. Processo de Fermentação anaeróbia
O biogás tem origem na degradação estritamente anaeróbia de substratos
orgânicos por um consórcio de micro-organismos que podem utilizar como matéria
prima resíduos sólidos, rejeitos orgânicos de diferentes origens, entre eles a glicerina.
Devido ao seu alto teor de carbono facilmente degradável, a glicerina possui
propriedades favoráveis à digestão anaeróbia em biodigestores. No entanto, como todo
processo biológico, depende de vários fatores, tais como pH, temperatura, relação
carbono/nitrogênio, tempo de residência, agitação, desenho de reator, entre outros.
Desta forma, torna-se necessário aperfeiçoar os diferentes parâmetros operacionais
envolvidos no processo de fermentação anaeróbia para obtenção de biogás a partir de
resíduos e neste caso particular, da glicerina.
A implementação e operação de bioreatores anaeróbicos, segundo Hobson &
Stewart, (1997), deve levar em conta os micro-organismos agentes produtores de
biogás. Esses deverão ter condições adequadas para seu metabolismo, desta forma é
necessário fornecer condições favoráveis tais como: (1) uma fonte de energia, (2)
carbono para a síntese de novo material celular e (3) elementos inorgânicos (nutrientes)
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tais como nitrogênio, fósforo, enxofre, potássio, cálcio e magnésio. Em alguns casos,
nutrientes orgânicos (fatores de crescimento) podem ser necessários para a síntese
celular.
As bactérias podem ser classificadas mediantes a utilização de substratos ou
características metabólicas ou fisiológicas comuns. No caso do processo de produção de
biogás, estas são classificadas como mesofílicas e/ou termofílicas, anaeróbias, entre
outras. O processo de degradação ocorre por ação combinada e cooperativa de
diferentes populações microbianas, anaeróbias facultativas ou anaeróbias obrigatórias,
seguindo quatro etapas principais estruturadas por Chernicharo (1997) e
esquematizadas por Vitoratto (2004) na Figura 3. Assim, a estrutura didática do
processo de fermentação Metanogênica tem quatro fases: a Hidrolítica onde bactérias,
inclusive aeróbias, hidrolisam moléculas complexas como proteínas, celulose, entre
outras, em moléculas menores que podem ser metabolizadas pelas chamadas bactérias
fermentativas. A seguir vem a fase da Acidogênese na qual um grupo de bactérias
transforma os produtos oriundos da hidrólise em ácidos graxos voláteis, alcoóis, ácido
lático, gás carbônico, hidrogênio, amônia e sulfeto de hidrogênio. Essas bactérias são
também denominadas bactérias fermentativas acidogênicas. A terceira fase constitui a
Acetogênese, nela há oxidação dos produtos gerados na fase acidogênica, resultando em
CO2, H2 e acetato que serão os substratos para as bactérias metanogênicas. A última
fase, a Metanogênese, constitui a etapa final no processo de degradação anaeróbia
resultando em metano e dióxido de carbono. As bactérias que produzem metano a partir
de ácido acético são chamadas de Acetotróficas, enquanto que as que produzem metano
a partir do hidrogênio e do dióxido de carbono são classificadas como
Hidrogenotróficas.
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Figura 3. - Representação esquemática do processo anaeróbio com os principais grupos
de bactérias: (1) hidrolíticas fermentativas: (2) acetogênicas produtoras de hidrogênio;
(3) homoacetogênicas; (4) metanogênicas (Fonte: VITORATTO, 2004).
Os fatores que podem afetar o grau e a taxa em que o substrato é hidrolisado são:
a temperatura operacional do reator; tempo de residência do substrato no reator;
composição do substrato (ex.: teores de lignina, carboidrato, proteínas e gordura);
tamanho das partículas; pH do meio; concentração de NH4 +-N; concentração de
produtos da hidrólise (ex.: ácidos graxos voláteis). Segundo Chernicharo (1997), tudo
acontece no exterior das células. São, portanto, as mesmas bactérias que realizam as
duas fases, agrupadas por esta razão em uma só fase, hidrólise e fermentação.
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Essas bactérias são anaeróbias estritas ou facultativas, porém na sua maioria são
anaeróbias estritas. Essa segunda fase se caracteriza, portanto, por ser um processo
bioquímico pelo qual as bactérias obtêm energia pela transformação da matéria orgânica
hidrolisada. Durante essa fase são produzidas quantidades consideráveis de compostos
orgânicos simples e de alta solubilidade, principalmente ácidos graxos voláteis. Os
metabólitos finais das bactérias hidrolíticas acidogênicas são excretas das células e
entram em solução no meio. As primeiras constituem uma espécie anaeróbia que
formam esporos, podendo, dessa forma, sobreviver em ambientes totalmente adversos.
As Bacteróides encontram-se comumente presentes nos tratos digestivos, participando
da degradação de açúcares e aminoácidos. A maioria das bactérias acidogênicas são
anaeróbias estritas, mas cerca de 1% consiste de bactérias facultativas, que podem
oxidar o substrato orgânico por via oxidativa. Isso é particularmente importante, uma
vez que as bactérias anaeróbias estritas são protegidas contra a exposição ao oxigênio
eventualmente presente no meio. Esses passam, então, a ser substratos das bactérias
acetogênicas cuja existência foi mostrada por Cunha em 1967.
Na terceira fase (acetogênese), as bactérias acetogênicas desempenham um
importante papel entre a acidogênese e a metanogênese. Bactérias acetogênicas,
produtoras de hidrogênio são capazes de converter ácidos graxos com mais de dois
carbonos a ácidos acéticos, CO2, H2 que são substratos para as bactérias metanogênicas.
Na quarta e última fase, os compostos orgânicos simples formados na fase
acetogênica, são consumidos por bactérias estritamente anaeróbias, denominadas
bactérias metanogênicas, que dão origem ao metano (CH4) e ao gás carbônico (CO2).
Estas bactérias metanogênicas desenvolvem-se preferencialmente em valores de pH
próximos do neutro (pH 7,0), entre 6,8 e 7,3. O fluxograma geral do processo de
decomposição anaeróbio é mostrado na Figura 1, na qual a etapa final do processo de
degradação anaeróbia de compostos orgânicos em metano e dióxido de carbono é
efetuada pelas bactérias metanogênicas, que utilizam ácido acético, hidrogênio, dióxido
de carbono, ácido fórmico, metanol, metilaminas e monóxido de carbono. Em função de
sua afinidade pelo substrato e a forma de produção de metano, as metanogênicas são
divididas em dois grupos, o primeiro que forma metano a partir de ácido acético ou
metanol (Acetotróficas ou acetoclásticas) e o segundo, que produz metano a partir de
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hidrogênio e dióxido de carbono, Hidrogenotróficas. Segundo Chernicharo (1997), além
das fases descritas anteriormente, o processo de digestão anaeróbia pode incluir, ainda,
uma outra fase, dependendo da composição química da carga orgânica a ser tratada.
Despejos que contenham compostos de enxofre são submetidos à fase de sulfetogênese
(redução de sulfato e formação de sulfetos).
As bactérias que produzem metano a partir de hidrogênio crescem mais
rapidamente que aquelas que usam ácido acético, de modo que as metanogênicas
acetotrófícas geralmente limitam a velocidade de transformação de material orgânico
complexo. Além dos processos fermentativos que levam à produção de biogás, podem
se desenvolver outros processos no reator anaeróbio. Neste não se encontra oxigênio
dissolvido, mas pode haver presença de oxidantes alternativos, que permitem o
desenvolvimento de bactérias que usam o catabolismo oxidativo. Estes oxidantes são o
nitrato e o sulfato. O nitrato pode ser usado como oxidante, sendo reduzido para
nitrogênio molecular em processo denominado desnitrificação, e o sulfato pode ser
reduzido para sulfeto (CHERNICHARO, 1997).
A produção de sulfetos é um processo no qual o sulfato e outros compostos a
base de enxofre são utilizados como aceptores de elétrons durante a oxidação de
compostos orgânicos. Durante esse processo, sulfato, sulfito e outros compostos
sulfurados são reduzidos a sulfeto, através da ação de um grupo de bactérias anaeróbias
estritas, denominadas bactérias redutoras de sulfato (ou bactérias sulforredutoras). As
bactérias sulforredutoras são consideradas um grupo muito versátil de microrganismos,
capazes de utilizar uma ampla gama de substratos, incluindo toda a cadeira de ácidos
graxos voláteis, diversos ácidos aromáticos, hidrogênio, metanol, etanol, glicerol,
açúcares, aminoácidos, e vários compostos fenólicos. As bactérias sulforredutoras
dividem-se em dois grandes grupos, bactérias sulforredutoras (BRS) que oxidam seus
substratos de forma incompleta até o acetato e bactérias sulforredutoras que oxidam
seus substratos completamente até o gás carbônico.
O último processo é mais importante na prática, pois o teor de nitrato
normalmente encontrado nos esgotos sanitários é baixo, mas o sulfato pode estar
presente em concentrações elevadas, quer por sua presença natural na água, quer devido
a processos industriais que usam formas de sulfato, por exemplo, ácido sulfúrico em
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fermentações para a produção de álcool (SCHMITT, 2006). Os sulfatos devem ser
evitados, uma vez que sob altas concentrações favorecem as BRS; estas competem com
os demais grupos bacterianos pela utilização de substratos (ácidos voláteis, por
exemplo), geram H2S que é tóxico as metanogênicas, diminuindo a produção de
metano. O gás sulfídrico além de ser corrosivo, precipita metais e gera um odor
desagradável.
2.4. Tipos de Bioreatores (biodigestores) e suas aplicações
O biodigestor, além de produzir gás, limpa os resíduos não-aproveitáveis de uma
propriedade agrícola e gera fertilidade, é considerado por alguns como um poço de
petróleo, uma fábrica de fertilizantes e uma usina de saneamento, unidos em um mesmo
equipamento. Ele trabalha com qualquer tipo de material que se decomponha
biologicamente sob ação das bactérias anaeróbias. Praticamente todo resto de animal ou
vegetal é biomassa capaz de fornecer biogás através do biodigestor. A tecnologia da
biodigestão anaeróbica tem sido comprovada como uma das mais eficiente no
tratamento dos dejetos bovinos, contudo , o emprego do biogás como fonte de energia
para o funcionamento dos equipamentos ainda encontra limitações de ordem
tecnológicas e financeira, como já preconizava Hardoim em 2000.
Ocorre que grande parte dos resíduos de animais é simplesmente jogada fora,
esses resíduos podem ser fermentados e formar o biogás, uma fonte não-poluidora de
energia. O biogás, ao contrário do álcool da cana-de-açúcar e de óleo extraídos de outras
culturas, não compete com a produção de alimentos em busca de terras disponíveis.
Afinal ele pode ser inteiramente obtido de resíduos agrícolas, ou mesmo de excrementos
de animais e dos homens. Assim, ao contrário de ser um fator de poluição, transforma-
se em um auxiliar do saneamento ambiental. O biogás pode ser produzido a partir do
lixo urbano, como já se faz nos chamados “aterros sanitários” de quase todos os países
desenvolvidos do mundo e cuja experiência é realidade em algumas cidades brasileiras.
Nas propriedades agrícolas, ele pode ser produzido em aparelhos simples, os chamados
biodigestores.
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Com o emprego do biodigestor, aquele esterco recolhido diariamente dos
estábulos e pocilgas, que muitas vezes é jogado em rios, ou então simplesmente
amontoado num canto, ganha novo destino. Assim, além de produzir biogás e
biofertilizante, o biodigestor resolve também o problema de saneamento da propriedade,
erradicando o mau cheiro, a proliferação de moscas e diminuindo a poluição dos
recursos hídricos.
Os biodigestores mais utilizados no Brasil podem ser classificados em dois
grupos: os que não precisam ser abastecidos com matéria orgânica (substrato)
diariamente, chamados de biodigestores em batelada (Figura 4) e os que precisam de
abastecimento diário, chamados de biodigestores contínuos (Figura 1 e 2).
Amaral (2004) e Angonese (2006) utilizaram o mesmo tipo de Biodigestor com
as mesmas características, para a produção de biogás. Realizada de forma contínua,
através de tubos PVC de 150 mm, o que evita a entrada da água da chuva e do pátio.
Todo o sistema funciona por gravidade, não necessitando de bombeamento para o
funcionamento das diferentes etapas. O biodigestor é formado por três tanques
cilíndricos com um volume total de 50 m3, sendo um de 20 m
3 construído em fibra de
Figura 4- Biodigestor Modelo Batelada (Fonte: DEGANUTTI et al., 2005)
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vidro e dois tipo reservatório de combustível (usados em postos) de 15m3
cada,
construídos em aço carbono, com entrada e saída para fluxo contínuo dos resíduos.
O processo de digestão anaeróbia de resíduos sólidos orgânicos com baixa
concentração de sólidos é realizado com substrato contendo em média cerca de 5%
(percentagem em peso) de sólidos totais. Os problemas de ordem técnica associados a
este tipo de tratamento, estão relacionados ao estudo das configurações de reatores que
possam viabilizar uma boa eficiência de transformação do material carbonáceo em um
período relativamente curto de tempo. Portanto, foi estudado o processo de digestão
anaeróbia de resíduos sólidos orgânicos (RSO) com baixa concentração de sólidos em
um reator anaeróbio compartimentado (RAC). O reator anaeróbio compartimentado,
conforme Leite (2004), tinha capacidade unitária de 2200 litros e foi operado com
tempo de retenção de sólidos de 90 dias. A eficiência de transformação média de STV
foi de 75% e o biogás produzido continha em média 60% de gás metano.
Amorim et al., (2004), utilizou dejetos produzidos por caprinos, em diferentes
estágios fisiológicos e submetidos ao mesmo regime alimentar, nas quatro estações do
ano. O objetivo foi avaliar o efeito das estações do ano sobre a digestão anaeróbia de
resíduos de caprinos em biodigestores modelo batelada com volume útil de 60 L de
substrato em fermentação e mantidos sob temperatura ambiente. Foram avaliadas as
produções de biogás, as reduções de sólidos voláteis (SV), os potenciais de produção
(m3 de biogás/kg de substrato, de estrume, de sólidos totais (ST) ou sólidos voláteis), os
números mais prováveis de coliformes totais e fecais, e a composição do biogás.
O exemplo mais conhecido de reatores com crescimento bacteriano aderido, em
leito fixo, são os filtros anaeróbios. Estes são caracterizados pela presença de um
material de empacotamento estacionário, no qual os sólidos biológicos podem aderir ou
ficar retidos nos interstícios. A massa de micro-organismos aderida ao material suporte
degrada o substrato contido no fluxo de esgotos e, embora a biomassa se solte
esporadicamente, é bastante eficiente (SCHMITT et al., 2006).
Alguns processos são realizado em reatores anaeróbios de batelada, com tempo
de detenção de sólidos variando de 250 a 300 dias originando grande produção de
biogás, com cerca de 60% de gás metano, além de composto orgânico parcialmente
bioestabilizado.
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O biodigestor é formado basicamente de uma câmara fechada, onde o esterco
(ou qualquer outro tipo de biomassa) será fermentado por bactérias anaeróbias,
produzindo biogás e biofertilizante. O biodigestor deve ser projetado de forma dar
condições para que essas bactérias se desenvolvam e biogás aproveitado.
Enquanto, os modelos chinês e indiano prestam-se para atender propriedades em
que a disponibilidade de biomassa ocorre em períodos curtos, como exemplo aquelas
que recolhem o gado duas vezes ao dia para ordenha, permitindo coleta diária de
biomassa, que deve ser encaminhada ao biodigestor, o modelo em batelada (Figura 4)
adapta-se melhor quando essa disponibilidade ocorre em períodos mais longos, como
ocorre em granjas avícolas de corte, cuja a biomassa fica a disposição após a venda dos
animais e limpeza do galpão(DEGANUTTI et al., 2005).
É neste sentido que o biodigestor vem como uma forma alternativa econômica
de produção e geração de energia. Fica claro que a quantidade de energia produzida
pelo biodigestor é bem menor que a produzida pelas hidrelétricas, principalmente
devido ao porte das hidrelétricas existentes, comparada a quantidade de biodigestores.
Em compensação, os impactos sociais e ambientais causados pelo biodigestor chegam
próximos de zero, pois a produção de energia é barata, diminui-se a produção de lixo
doméstico e evita-se que o esterco de animais seja despejado em lugares inapropriados.
Além disso, os resíduos da reação anaeróbica da matéria orgânica com as bactérias
metanogênicas podem ser usados como biofertilizante.
Projetos de recuperação do biogás gerado na estação de tratamento de efluentes
são diferentes do biogás gerado em aterros sanitários. No segundo caso, a quantidade de
produção de biogás é maior, além de ser mais rico em metano (ALVES, 2000). Nesse
sentido, os digestores anaeróbios são peças importantes na recuperação do biogás. Na
maioria das vezes, uma instalação não é desenvolvida com o objetivo de gerar biogás e
sim, tratar o efluente, preservando a qualidade do ar e dos corpos d’água.
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2.5. Importância do biogás para o meio ambiente e os prejuízos à saúde do ser
humano.
A disposição inadequada de resíduos cria vários tipos de poluição. Esterco de
vaca, por exemplo, pode gerar CH4, CO2 e H2O. Apesar de ser utilizado como adubo
orgânico, a taxa de produção de poluentes é rápida prejudicando o meio ambiente. Estes
problemas levam à deterioração do meio ambiente e incremento de gases de efeito
estufa.
Ao queimar combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás natural) nas centrais
elétricas e nos meios de transportes para produzir energia, são geradas grandes
quantidades de gases como o dióxido de enxofre (SO2) e óxidos de nitrogênio (NO2),
que associadas às gotículas de água nas nuvens, voltam à Terra sob a forma de ácido
sulfúrico (H2SO4) e ácido nítrico (HNO3) – chuvas ácidas. Essas afetam não só a
natureza (fauna e flora) como também aos edifícios e monumentos.
Os países mais desenvolvidos têm sido apontados como os principais
responsáveis pela situação atual da atmosfera do planeta. No entanto, as estimativas
realizadas nos países em desenvolvimento, localizados na região tropical, também os
classifica como importantes emissores de gases de efeito estufa, uma vez que as
condições climáticas dessa região aumentam em muito o potencial de emissão de gases
como o CH4, que já contribui com 15% para o forçamento radiativo global (COTTON
& PIELKE, 1995).
O controle da poluição atmosférica implica na utilização de equipamentos de
remoção de poluentes, no entanto, existe um conjunto de outras medidas, como o pré-
tratamento ou a substituição de matérias-primas e combustíveis e a adoção de
tecnologias menos poluentes, com ganhos significativos para a qualidade ambiental. A
produção de energia renovável é uma medida interessante sob o ponto de vista
ambiental no que se refere à poluição global, uma vez que evita a queima de
combustíveis fósseis e conseqüente emissão de resíduos poluentes na atmosfera.
A emissão de biogás para a atmosfera provoca impactos negativos ao meio
ambiente e à sociedade, à medida que contribui para o agravamento do efeito estufa
através da emissão de metano para a atmosfera, provoca odores desagradáveis pela
emissão de gases fétidos e tóxicos, devido à concentração de compostos de enxofre
Dissertação de Mestrado – FLÁVIA GARRETT AZEVEDO
ESTUDO DAS CONDIÇÕES AMBIENTAIS PARA PRODUÇÃO DE BIOGÁS A PARTIR DE GLICEROL COPRODUTO DO BIODIESEL-2010.
29
presentes no gás além de uma pequena, mas não desprezível presença de bactérias
responsáveis pela digestão anaeróbia dos resíduos orgânicos.
As fontes principais de emissão de metano são o tratamento de efluentes,
resíduos rurais e a disposição de resíduos sólidos em aterros sanitários. Algumas
medidas vêm sendo tomadas, Gaspar (2003) implantou um modelo de biodigestor em
pequenas e médias propriedades suinoculturas na cidade de Toledo-PR, como
alternativa viável para combater a contaminação dos mananciais e cursos d'água da
citada região por dejetos de suínos e, ao mesmo tempo, através da produção de biogás e
biofertilizante, agregar valor às propriedades criadoras de suínos. Essa preocupação se
estende e pode ser aplicada a outros criadouros: bovinos, suínos, avícolas, evitando-se
assim a poluição ambiental.
A biodigestão anaeróbia representa uma alternativa para o tratamento de
resíduos, pois além de permitir a redução do potencial poluidor e dos riscos sanitários
dos dejetos ao mínimo, promove a geração do biogás utilizando como fonte de energia
alternativa e permite a reciclagem do efluente, podendo ser utilizado como
biofertilizante (AMARAL, 2004).
A preocupação com a poluição do ar é mundial. O gás carbônico (CO2) incide
negativamente devido aos problemas causados por sua excessiva emissão e contribuição
ao efeito estufa, sendo inclusive motivo de tratado entre diversos países, com o objetivo
de reduzir sua emissão. O metano, por sua vez, possui um potencial de aquecimento
global (GWP) 21 vezes maior do que o CO2, como se observa na Tabela 2, que
apresenta os principais gases do efeito estufa, tempo de vida, GWP e a atual
contribuição de cada gás para o efeito estufa (RANZI & ANDRADE 2005).
Tabela 2- Os principais gases de efeito estufa e seus respectivos potenciais de
aquecimento global –GWP.
Composto Fórmula Vida GWP(100 anos) Contribuição
Dióxido de
Carbono
CO2 n.d 1 55%
Metano CH4 12 21 15%
Óxido Nitroso N2O 120 310 6%
Ozônio O3 1 mês n.d n.d
CFCS n.d n.d n.d 17% Fonte: RANZI & ANDRADE (2005)
Dissertação de Mestrado – FLÁVIA GARRETT AZEVEDO
ESTUDO DAS CONDIÇÕES AMBIENTAIS PARA PRODUÇÃO DE BIOGÁS A PARTIR DE GLICEROL COPRODUTO DO BIODIESEL-2010.
30
Além da poluição ambiental, os gases se não forem bem monitorados causam
doenças e prejudicam a qualidade de vida humana. Esta degradação ameaça a saúde
humana e a qualidade de vida, além de afetar o equilíbrio ecológico e a diversidade
biológica.
2.6. Biogás : Fonte de energia alternativa
Há estudos que permitem prever que por volta do ano 2030 haverá uma aguda
escassez de petróleo, com seu correspondente encarecimento. A elevação do preço dos
combustíveis deverá reduzir a competitividade industrial dos países que não tenham
desenvolvido fontes alternativas de energia (OLIVEIRA & COSTA, 2002).
A crescente preocupação com o aquecimento global neste início do século XXI
incentiva as discussões sobre novas fontes de energia. A sociedade moderna ainda é
muito dependente do petróleo (GONÇALVES, 2005).
O biodiesel é um combustível renovável formado por monoésteres de ácidos
graxos não tóxicos e biodegradáveis, sendo uma alternativa ao petrodiesel, apresentando
vantagens ambientais, econômicas e sociais (RAMOS, 2003). O biodiesel reduz
significativamente a emissão de gases, como partículas de carbono e monóxidos de
carbono (FELIZARDO, 2003); possibilita a redução de importações de petróleo e diesel
refinado, além de gerar trabalho, principalmente no setor primário, pelo cultivo de
plantas oleaginosas (COSTA, 2000). Esse produto gera como resíduo a glicerina.
Assim, uma das alternativas para o aproveitamento desse material é a produção de
biogás, com vistas à geração de energia. Graças ao seu alto teor de carbono facilmente
degradável, a glicerina possui propriedades favoráveis à digestão anaeróbica em
biodigestores, quando associada a resíduos orgânicos com alto teor de nitrogênio
(ROBRA, 2006).
A digestão anaeróbia de matéria orgânica, é uma das tecnologias atualmente
disponíveis capaz de contribuir para a redução da poluição ambiental e, ao mesmo
tempo, valorizar novos produtos. Este processo pode ser sumariamente descrito como
uma conversão microbiológica da matéria orgânica numa mistura essencialmente
composta por metano e dióxido de carbono, que pode ser utilizado como combustível
(OLIVA, 2002). O metano é um gás incolor, altamente combustível, queimado com
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ESTUDO DAS CONDIÇÕES AMBIENTAIS PARA PRODUÇÃO DE BIOGÁS A PARTIR DE GLICEROL COPRODUTO DO BIODIESEL-2010.
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chama azul lilás, sem deixar fuligem e com um mínimo de poluição (DEGANUTTI et
al., 2005).
Os resíduos de origem animal constituem elevada proporção da biomassa, e sua
utilização em sistemas de reciclagem é de extrema importância sob aspectos
econômicos e ambientais. A digestão anaeróbia é um dos vários processos existentes
para o tratamento dos resíduos e constitui-se em método bastante atrativo, pois promove
a geração do biogás, como fonte de energia alternativa e do biofertilizante (SAHA,
1994).
Nesse sentido, o desenvolvimento e a prática de alternativas tecnológicas com
vistas à geração de energia a custos reduzidos podem gerar impactos socioeconômicos
positivos. Uma das alternativas tecnológicas mais promissoras diz respeito ao
aproveitamento da biomassa para geração de energia, que propicia uso mais racional
dos recursos disponíveis na exploração agrícola, reduz a transferência de renda para
outros agentes e diminui a dependência de fontes externas de energia (ESPERANCINI
et al., 2007).
No meio rural, em função da natureza da atividade e da disponibilidade de
recursos energéticos o biogás apresenta uma alternativa viável e pode contribuir para a
redução de custos de produção (OLIVA 2002).
2.7. Vantagens e Aplicações do biogás
O Brasil é um país com tradição no uso de fontes renováveis de energia, onde se
destaca o uso da energia hidrelétrica como sendo responsável pela maior parcela (acima
de 80%) de toda geração de eletricidade. Em segundo lugar, o etanol proveniente da
cana-de-açúcar, o qual é utilizado como mistura na gasolina ou puro, substituindo a
gasolina (derivada do petróleo). Por outro lado, existe ainda em desenvolvimento
tecnológico, com pouco aproveitamento prático, um enorme potencial de fontes
renováveis de energia, destacando-se entre elas a energia solar, eólica e biomassa
(COLDEBELLA et al.; 2008).
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De um modo geral, a digestão anaeróbia no tratamento de efluentes possui as
seguintes vantagens (adaptado de VON SPERLING, 1995):
Baixo custo de implantação;
Elevada sustentabilidade do sistema. Pouca dependência de fornecimento de energia,
peças e equipamentos de reposição;
Simplicidade operacional, de manutenção e controle;
Baixos custos operacionais;
Adequada eficiência na remoção das diversas categorias de poluentes (matéria
orgânica biodegradável, sólidos suspensos, nutrientes e patogênicos);
Pouco ou nenhum problema com a disposição do lodo gerado no sistema;
Baixos requisitos de área;
Possibilidade de aplicação em pequena escala (sistemas descentralizados) com pouca
dependência da existência de grandes interceptores;
Fluxograma simplificado de tratamento;
Elevada vida útil;
Ausência de problemas que causem transtorno à população vizinha;
Possibilidade de recuperação de subprodutos úteis, como biofertilizante, visando sua
aplicação na fertilização de culturas agrícolas; e o biogás, um gás combustível de elevado
teor calorífico.
Em feiras livres e centrais de abastecimento são produzidas quantidades bastante
significativas de resíduos sólidos, com características favoráveis ao aproveitamento
integral em processo de bioestabilização anaeróbia. O processo de bioestabilização é
realizado em reatores anaeróbios de batelada, com tempo de detenção de sólidos
variando de 250 a 300 dias originando, como produtos finais, o biogás, com cerca de
60% de gás metano, além de composto orgânico parcialmente bioestabilizado (LEITE
et al., 2003).
De acordo com alguns estudos (CENBIO, 2000), parte do metano é injetada nos
digestores para catalisar o processo de digestão anaeróbica e o restante é queimado em
flare, para reduzir os impactos da emissão dos gases. Uma alternativa para a queima em
flare é a conversão do biogás em energia elétrica através da queima em motores, e
atualmente, surge a opção de microturbinas. O aproveitamento energético de um resíduo
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do processo de tratamento objetiva a melhoria do desempenho global do mesmo,
reduzindo a emissão de gases efeito estufa, colaborando para aumentar a eficiência
energética global da estação de tratamento e, conseqüentemente, a viabilidade do
saneamento básico no País.
A tecnologia de biodigestão anaeróbia de dejetos animais, principalmente de
suínos, apresenta diversas vantagens. Uma delas é a produção de biogás e
biofertilizantes, produtos de elevado valor agregado, redução da poluição dos recursos
hídricos, facilidade de implantação e operação, e diminuição com relação ao consumo
de lenha (GASPAR, 2003).
No experimento realizado por Deganutti et al.,(2005) em termos práticos foi
comprovado uma relação comparativa de equivalência de 1 metro cúbico de biogás
com os combustíveis usuais:
1 m3 de biogás corresponde:
0,61 litros de gasolina
0,57 litros de querosene
0,55 litros de óleo diesel
0,45 kg de gás liquefeito
0,79 litros de álcool combustível
1,538 kg de lenha
1,428 kwh de energia elétrica
Para uma família de 5 (cinco) pessoas em termos de uso caseiro tem-se: para a
cozinha 2,10 m3, para iluminação 0,63 m
3, para geladeira 2,20 m
3, para banho quente
4,00 m3, sendo o total de biogás necessário 8,93 m
3 (por dia). Essa quantidade de gás
corresponde a ¼ de um botijão de gás de 13 kg e pode ser obtida com a produção de
esterco de 20 a 24 bovinos.
Atualmente, as nações, em quase sua totalidade, são dependentes dos
combustíveis derivados do petróleo e da energia elétrica para gerar energia térmica e
mecânica. No Brasil, devido à disponibilidade de recursos hídricos para geração de
energia elétrica, essa tem sido largamente empregada em unidades de aquecimentos
industriais e domésticas. O petróleo, não sendo uma forma renovável de energia e
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mediante a tendência de elevação de preço no mercado mundial, bem como a energia
elétrica, não sendo disponível no meio rural das regiões mais remotas, conduzem ao
desenvolvimento e utilização de novas formas energéticas, sobretudo as renováveis. O
Clube de Bolonha, em sua quarta reunião sobre combustíveis, em novembro de 1992,
concluiu como sendo uma das mais viáveis opções de fonte de energia para a agricultura
o uso de combustíveis obtidos da biomassa. O modelo energético brasileiro recomenda
a diversificação de formas energéticas, priorizando, sobretudo, a existência de
tecnologia disponível no País, evitando ao máximo a dependência externa (SILVA,
2005).
A utilização do biogás disponível na propriedade, segundo Oliva (2002), a
eficiência energética apresenta-se como um dos tópicos centrais para a conservação de
energia, constituindo-se numa variável resultante da interação de diversos fatores
econômicos, políticos e sociais. Por isso mesmo, ela é influenciada diretamente por
mudanças estruturais na economia caracterizadas por alterações nos padrões
tecnológicos e no conteúdo energético do sistema produtivo como um todo. Além disso,
fatores como o uso racional da energia, as fontes de energia disponíveis, hábitos de
consumo e padrão de vida das populações também produzem alterações nos níveis de
eficiência energética.
Segundo Deganutti et al., (2005), a idéia da produção de biogás em propriedades
rurais, indiferentemente de suas dimensões, em última análise, se associa a um
quádruplo objetivo, ou seja:
a) Proporcionar maior conforto ao rurícola permitindo-lhe dispor de um
combustível prático e barato que tanto poderá ser usado para fins de calefação e
iluminação, como ainda para acionar pequenos motores estacionários de combustão
interna.
b) Contribuir para a economia do consumo de petróleo, pois o biogás é um
combustível proveniente de fontes alternativas.
c) Produzir biofertilizante que é um resíduo rico em húmus e nutrientes,
utilizado na fertilização do solo, para aumentar a produtividade dos cultivos face ao seu
baixo custo de obtenção.
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d) Contribuir para a preservação do meio ambiente pela produção de biogás, o
que consiste na reciclagem de dejetos e resíduos orgânicos poluentes.
Segundo Gaspar (2003), com relação ao biogás, um dado importante a ser
computado na análise da capacidade calorífica é que enquanto um barril de petróleo
custava aproximadamente US$ 21,57 (valor em maio de 2002), um metro cúbico de
biogás apresenta um custo mínimo. Um metro cúbico de biogás, oriundo de um
biodigestor corretamente instalado e operado, custa bem menos ao produtor; pois a
matéria-prima para a produção do biogás representa apenas o custo normal, que o
criador tem de manter o animal vivo e saudável (vacinas, rações, estrebarias, pocilgas).
Examinando os dados da Tabela 3, conforme Barreira (1993), percebe-se que, no caso
dos dejetos suínos como matéria-prima, a produção de 1m3
de biogás requer somente 12
kg de dejetos suínos. Assim, a produção de um suíno, cerca de 2,25 kg de dejetos/dia,
são necessários cerca de 5 animais para a produção de 12 kg/diários de dejetos, com
conseqüente produção de 1m3
de biogás.
Tabela 3- Quantidade de material em kg para produção de 1m3 de biogás
MATERIAL QUANTIDADE
Esterco fresco de vaca 25 kg
Esterco de suíno 12 kg
Esterco seco de galinha 5 kg
Resíduos vegetais 25 kg
Lixo 20 kg (Fonte: BARRERA 1993)
As diversas características favoráveis dos sistemas anaeróbios, segundo Schmitt
(2006), são passíveis de serem operados com elevados tempos de retenção de sólidos e
baixíssimos tempos de detenção hidráulica, conferem aos mesmos um grande potencial
para a sua aplicabilidade em tratamentos de águas residuárias de baixa concentração.
São também tecnologias simples e de baixo custo, com algumas vantagens quanto à
operação e à manutenção dos processos anaeróbios, apresentados na Tabela 4.
A tecnologia da biodigestão anaeróbia tem sido comprovada como uma das mais
eficiente no tratamento dos dejetos de bovinos, contudo, o emprego do biogás como
fonte de energia para o funcionamento dos equipamentos ainda encontra limitações de
ordem tecnológica (HARDOIM, 2000).
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O biogás produzido em biodigestores rurais normalmente é armazenado a baixa
pressão em gasômetros e vem sendo utilizado por meio da combustão em equipamentos
para geração de calor, como queimadores de fogões, fornalhas, campânulas de
aquecimento, etc.
Tabela 4 - Vantagens e desvantagens dos processos anaeróbios
VANTAGENS DESVANTAGENS
Baixa produção de sólidos; As bactérias anaeróbias são
suscetíveis à inibição por um grande
número de compostos;
Baixo consumo de energia; A partida do processo pode ser lenta
na ausência de lodo de semeadura
adaptado;
Baixa demanda de área; Alguma forma de pós-tratamento é
usualmente necessária;
Baixos custos de implantação; A bioquímica e a microbiologia da
digestão anaeróbia são complexas e
ainda precisam ser mais estudadas;
Produção de metano; Possibilidade de geração de maus
odores, porém controláveis;
Possibilidade de preservação da
biomassa, sem alimentação do
reator, por vários meses;
Possibilidade de geração de efluente
com aspecto desagradável;
Tolerância a elevadas cargas
orgânicas;
Remoção de nitrogênio, fósforo e
patogênicos insatisfatória.
Aplicabilidade em pequena e
grande escala;
Baixo consumo de nutrientes. ( Fonte: Schmitt 2006 )
A quantidade de dejeto produzido pelos animais varia em função da ração
consumida, do regime de criação, espécie e desenvolvimento do animal. O sistema de
criação também determinará a quantidade total de dejetos produzidos, incluindo não
apenas as fezes e urina dos animais como também a água desperdiçada nos bebedouros
e na higienização das instalações, os resíduos de ração, pêlos e poeira (AMORIN,
2004).
Existe uma grande variação nos dados publicados quanto à produção de biogás
de resíduos de vários animais, por exemplo, a produção de biogás poderá ser de 0,04 m3
de biogás/kg de esterco bovino, conforme Amaral et al.,(2002) foi verificado a
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eficiência da biodigestão de dejetos de aves na produção de biofertilizante de maior
qualidade microbiológica pela redução dos valores de coliformes totais e fecais,
apresentados na tabela 5 ( TAIGANIDES , 1977 ).
Tabela 5. Diferentes substratos para biodigestores e sua conversão em biogás
Gado-Leite Gado-Corte Suínos Frango
Produção de
Esterco(kg/dia)
39 26 23 27
Sólidos
Totais(kg/dia)
4,8 3,4 3,3 7,9
Sólidos
Voláteis(kg/dia)
3,9 2,7 2,7 5,9
Eficiência
Digestiva(% de
SV)
35 50 55 65
Produção de
Biogás(m3/kg)
0,29 0,42 0,45 0,53
Produção de
Biogás(m3/454
kg de animal /
dia)
2,54 2,44 2,67 6,88
( Fonte: TAIGANIDES, 1977 )
Para Silva e Campos (2008) foi comprovado em poços de biodigestores a
concentração de metano produzindo em média de 52% á 58% para produção de energia
elétrica através da avaliação da produção e qualidade do gás para a geração de energia
em um aterro sanitário em São Paulo. Foram monitorados parâmetros de qualidade do
biogás, pressão exercida pelo sistema e volume de gás extraído. A partir do
acompanhamento desses parâmetros, foram feitas três análises em diferentes situações
que pudessem explicar o comportamento dos parâmetros: uma análise com poços em
diferentes profundidades e duas análises a caráter de comparação: (a) poços conectados
ao sistema de captação por extração ativa; e (b) poços não conectados ao sistema de
captação, com extração passiva. Os resultados demonstraram que poços em
profundidade intermediária apresentam as maiores produções e qualidade do gás e
poços com extração passiva em relação à ativa tiveram diferenças significativas dos
parâmetros acompanhados.
A análise da eficiência energética permite o estudo da evolução da demanda e
suprimento de energia, dos hábitos de consumo e das alterações efetuadas na economia
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e na sociedade. No estado do Paraná, o meio rural possuem 31,3% dos transformadores
da companhia de energia do estado o que corresponde a 21,8% da potência instalada. E
o consumo de energia da área rural corresponde a 7,70%. Devido à redução dos preços
das commodites agrícolas decorrentes de um mercado cada vez mais globalizado, o
agricultor tem como única opção à redução dos custos de produção, uma alternativa
seria a redução do uso de insumos tais como a energia. O objetivo do trabalho feito por
Oliva (2002), foi avaliar o consumo de energia com relação à força motriz utilizada em
uma propriedade, por meio da utilização do biogás disponível na propriedade.
De uma forma geral, a geração de energia elétrica a partir de biogás apresenta as
seguintes vantagens, para a sociedade: aumento da oferta de energia elétrica; geração
descentralizada, próxima aos pontos de carga; melhorar economicamente o processo de
tratamento de esgoto (e dos aterros sanitários), aumentando a viabilidade do saneamento
básico (FREIRE, 2000).
O conhecimento para produção de biogás aproveitando outros resíduos como a
glicerina bruta requer estudos, seja no aproveitamento da matéria-prima, no
desenvolvimento do biodigestor ou aproveitamento dos produtos gerados, no entanto
toda a tecnologia já desenvolvida para a produção de biogás deve ser aliada as
necessidades atuais.
Partindo-se desse contexto, este trabalho objetiva estudar o uso da glicerina
residual como co-substrato no processo da biodigestão, junto com estrume de gado, e
seu potencial para produção de biogás em escala de laboratório e possivelmente
estender ao mercado.
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2.8. Modelos Matemáticos
O processo de digestão anaeróbia é um processo complexo que envolve
múltiplas etapas, que são por grupos de bactérias, que utilizam vários substratos e levam
a formação de diferentes produtos. É essencial a existência de um balanço dinâmico
entre os substratos e os produtos, de maneira tal que a etapa metanogênica, considerada
a etapa limitante atue em sua máxima velocidade.
Devido a esta complexidade, foram desenvolvidos alguns modelos matemáticos
nos quais são introduzidos algumas simplificações, representando o sistema anaeróbio
como um processo de uma única etapa, em que só considera o passo limitante sinalizado
pela degradação dos ácidos graxos voláteis (AGV), e mais duas etapas, onde a primeira
as bactérias transformam compostos solúveis em AGV, e outro as bactérias
metanogênicas levam os AGV a metano e dióxido de carbono.
Esses modelos não consideram todas as etapas, nem tampouco todos os
possíveis componentes envolvidos no processo e que em alguns casos podem causar
inibição, como o amônio que está presente em substrato com elevada composição de
proteínas. Assim, os modelos presentes na bibliografia representam matematicamente
sempre parte do que ocorre nos complexos sistemas biológicos. A seguir será descrito
uma revisão dos modelos existentes na bibliografia.
No caso dos resíduos sólidos, a etapa hidrolítica pode ser limitante, ao conter
compostos complexos e insolúveis, cuja degradação depende de sua estrutura, dos tipos
de bactérias presentes e as eficiências das condições de operação (temperatura e pH )
nos reatores. Por outra parte, no caso dos resíduos biológicos, cuja carga de sólidos, não
é possível determinar o perfil de concentração dos micro-organismos pois a separação
das populações bacterianas dos resíduos sólidos é muito difícil.
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Nas Modelagens Matemáticas é considerado que a etapa hidrolítica se pode
modelar por meio de uma cinética de primeira ordem sendo a equação básica:
Skdt
dS
(1)
Onde,
k constate de velocidade
S concentração do substrato
E neste caso, se deve determinar o valor de k para cada substrato considerado.
Outra expressão utilizada e pelo modelo de Monod considera apenas um
substrato contendo o modelo e cuja expressão básica é:
Fazendo um balaço geral pode-se escrever:
Substrato Produtos + Células + substrato gasto em manutenção celular
S = P + X + m
De forma a atender modelos matemáticos algumas considerações devem ser
feitas:
O substrato pode resultar em células, assim tem-se:
XSk1
O substrato pode resultar em produtos tem-se:
PSk1
Levando em conta que a taxa de crescimento celular é diretamente proporcional
a concentração celular tem-se:
Xdt
dxx ,mas como :
SKm
Sx
max (equação de Monod) (2)
Levando em conta que o rendimento do substrato em relação s células é igual a
taxa de crescimento celular pelo substrato tem-se:
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dS
dXy SX /
Da mesma forma o rendimento do substrato em relação ao produto é igual a taxa
da formação de produto pelo substrato tem-se:
dS
dPy SP /
Da mesma forma o rendimento do substrato em relação ao produto é igual a taxa
da formação de produto pelo crescimento celular tem-se:
dX
dPy XP /
De modo geral conclui-se que:
dtds
dtdxY sx
/
//
(3)
Onde,
X concentração das células ou microbiana, contendo sólidos suspensos
voláteis(SSV).
S concentração do substrato
y Coeficiente de rendimento.
max velocidade especifica máxima de crescimento(g/g*h)
sk constante de saturação(g/mL)
Rearranjando a equação 3 na equação 1 tem-se:
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42
dt
dX
ydt
dS
sx /
1
(4)
Substituindo a equação 4 na equação 2 tem-se:
Sk
S
ydt
dS
msx
max
/
1
(5)
Podendo-se chegar ao modelo clássico de Monod adequado ao consumo de
substrato durante o processo metabólico:
Sk
S
y
X
dt
dS
msx
max
/
(6)
Este modelo pode ser aplicado só no caso de substratos solúveis, já que é
indispensável conhecer a concentração da biomassa e a sua variação no tempo, o que
não é possível para o caso de resíduos sólidos.
No caso acima não se considerou o fenômeno de inibição, o qual pode
incorporar-se através dos modelos de inibição competitiva, não competitiva entre
outros, dependendo do sistema a ser estudado (CHAMY et al., 2003). Esses modelos
incluem termos correspondentes a concentração do inibidor (I) e a constante de
inibição( Ik ), existindo várias expressões entre as quais tem-se (CHAMY et al., 2003;
BORZANI et al., 2001):
Equação de Inibição Competitiva :
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Sk
k
S
I
S
11
max
(7)
Equação de Inibição não Competitiva :
I
sk
Sk
S
11
max
(8)
Equação de Inibição por substrato :
n
I
sk
SSk
S
1
max
(9)
Onde,
n = Constante empírica de primeira ordem de inibição.
Quando é reconhecido o caso da inibição por algum substrato, tem que se
utilizar um modelo que considere a inibição, há vários, entre eles o de Haldane:
I
s
k
I
S
k1
1
(10)
Dissertação de Mestrado – FLÁVIA GARRETT AZEVEDO
ESTUDO DAS CONDIÇÕES AMBIENTAIS PARA PRODUÇÃO DE BIOGÁS A PARTIR DE GLICEROL COPRODUTO DO BIODIESEL-2010.
44
Com o mesmo propósito, também é conhecido o modelo, quando se aplica a fase
acidogênica do processo de digestão anaeróbia, assumindo uma inibição do tipo
competitiva de AGV, de acordo com a seguinte expressão (CHAMY et al., 2003):
1Is k
k
Sk
S
(11)
Outro Modelo introduzido para modelagem de sistemas anaeróbios, é aplicado
em digestores contínuos agitados e considera uma forma expandida do modelo de
Monod :
0
0max
/1
/
SSkk
SS
(12)
Onde,
S = concentração do substrato na saída do reator
S0 = concentração do substrato na entrada do reator.
O modelo a seguir se aplica geralmente a produção de metano, de maneira que :
kTRH
kBB
11
max
0 (13)
Onde,
TRH = tempo de retenção hidráulico ( volume do reator / fluxo de alimentação)
B = volume de metano produzido por massa da demanda química de oxigênio
(DQO) analisada no reator.
Também é possível expressar os modelos em função de algum produto
facilmente quantificado, como é o caso do metano. Assim, é o modelo de Monod sem
inibição pode se escrever em termos de produtividade de metano:
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45
Sk
Sqq
s
max
(14)
Onde,
q produtividade de metano
maxq produtividade máxima de metano, que considera a flora bacteriana a sua
máxima velocidade especifica de crescimento.
Chamy et al. (2003) trabalhando especificamente com cinco tipos de resíduos
sólidos industriais de diferentes origens ( procedente da fabricação de cerveja, resíduos
de chá e café instantaneos, resíduos da indústria de beneficiamento de cogumelos e de
salmom) procurou estabelecer um modelo cinético generalizado (MCG) para quando
não é possivel identificar o composto inibidor do processo anaeróbio, o que ocorre na
maioria dos casos. Neste caso, os autores assumiram uma concentração do inibidor seria
proporcional a concentração do substrato alimentado Os resíduos com que se ajustou o
modelo foram selecionados a fim de considerar as mais diversas caracteristicas
nutricionais em que se possa trabalhar.
O modelo MCG supõe que exista um fator de afinidade entre o inibidor e os
micro-organismo ( tipo inibição competitiva), resultando o seguinte modelo:
SK
S
q
q
0
1
(15)
Onde,
q produtividade especifica de metano, LCH4 / gSV * d
0q produtividade máxima em ausência de inibição , LCH4 / gSV * d
S quantidade de substrato, % p/ V de sólidos totais.
k constante de afinidade , % p/ V.
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ESTUDO DAS CONDIÇÕES AMBIENTAIS PARA PRODUÇÃO DE BIOGÁS A PARTIR DE GLICEROL COPRODUTO DO BIODIESEL-2010.
46
Dessa forma, o modelo matemático escolhido para o referido trabalho, foi o
modelo que não se considerou o fenômeno de inibição segundo Chamy et al., (2003),
que mais a frente será descrita toda sua modelagem e avaliação cinética
Fenomenológica do processo de produção do biogás.
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47
4. MATÉRIAL E MÉTODOS
Este trabalho foi realizado no laboratório de Microbiologia Industrial e de
Bioprocesso do Departamento de Engenharia Química da UFPE e consistiu em coletar a
matéria prima, vidraria, equipamentos, preparar os meios para a fermentação e executar
as análises inerentes ao processo. A pesquisa teve várias etapas que serão descritas a o
longo deste capítulo.
4.1- Pesquisa das condições ideais.
4.1.1- Inóculo
Os inóculos consistiram em dejetos bovinos como fonte de bactérias
metanogênicas. Esse material foi cedido pelo Matadouro de Paulista era recolhido
fresco e conservado sob condições de extração em caixa térmica(ISOPOR) até o
momento do inóculo. A glicerina utilizada foi P.A (glicerol) marca Vetec.
4.1.2- Concentração do Inóculo e Substrato
Para dar início ao processo de pesquisa para obtenção de metano a partir de
dejetos bovinos em meio nutritivo com concentração de glicerina, foi necessário
pesquisar a concentração do inóculo (dejeto bovino) e da glicerina. Para isso foram
utilizados vidros de penicilina de 50 mL como biorreatores, hermeticamente fechados e
dotados de seringas de 10 mL ( Figura 5).
Nesses biorreatores foram colocados o meio de cultura composto por glicerina
comercial em concentrações variáveis (20%, 25%, 30% e 40% M/M), solução de sais
minerais ou nutritiva. Os biorreatores foram acondicionados na estufa de cultura
modelo 002 CB, marca FANEM LTDA, sob temperatura de 35° C ( Figura 6) por 10
dias em média. O produto obtido, biogás, foi avaliado volumetricamente.
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48
Figura 5- Biorreator em Microescala utilizados na produção de biogás.
Figura 6- Estufa de acondicionamento dos biorreatores.
Embolo deslocado por conta
da produção de biogás
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49
4.1.3- Preparação do Meio de Cultura
A solução de nutrientes foi preparada em água destilada utilizando-se para um
1L: K2HPO4 (Fosfato dibásico de potássio) - 2g; KH2PO4 (Fosfato monobásico de
potássio) - 20g; Uréia – 3,5g; Glicerina P.A(Glicerol) – 20%, 25%, 30% 40% (M/M).
4.1.4- Estudo do efeito do pH no processo de produção de metano
Apesar da literatura sugerir, o pH neutro, em torno de 7,0, estudou-se o efeito do
pH no processo. Dessa forma, na preparação do meio de cultura, ao analisar o pH
original, estava-se em pH 5,8. Este pH foi utilizado como uma das variáveis de trabalho.
Segundo Hobson & Stewart (2005); Kozloski (2002); Kamra (2005) o pH
deveria ficar entre 6,0 e 7,0. Assim ao meio de cultura original foi adicionado 5mL de
KOH a 10N, ficando este meio em pH 6,6, ficou estabelecido a segunda variável de
trabalho.
Para Soares (1997) e Chernicharo (1997) o pH não pode estar abaixo de 6.0 e
acima de 8.0. Para obter a terceira variável de trabalho, foi adicionado 10mL KOH a
10N no meio de cultura original obtendo-se pH 8,0.
4.1.5- Temperatura
Os experimentos foram conduzidos á temperatura de 35° C.
4.2-Processo no biorreator
Após obter as melhores condições nos vidros de penicilina, o melhor resultado
foi repetido em um biorreator de volume útil de 10 L com solução nutritiva e 20% de
glicerina, em banho-maria monitorado em temperatura constante de 35° C (Figura 7).
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50
Figura 7- Montagem experimental de Biorreator ( unidade de bancada)
4.2.1- Produção de Biogás
A produção do biogás foi avaliado inicialmente através do deslocamento do
embolo da seringa, seguida de uma análise qualitativa pelo Kit biogás da Embrapa
(Figura 8 ).
Figura 8- Kit biogás EMBRAPA
Biorreator de volume útil de 10L.
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51
4.3. Estudo Cinético
Para avaliar as melhores condições da produção de biogás admitiu-se variáveis
de interesse como: concentração de inóculo, pH e glicerina. Assim, como parte do
treinamento para compreensão do uso dessa ferramenta estatística, foi realizado um
estudo sobre o cultivo de micro-organismos presentes no excremento bovino visando a
definição das melhores condições para produção de metano e consumo de glicerol.
4.3.1.Micro-organismos
Os micro-organismos a serem utilizados no trabalho foram àqueles presentes no
excremento bovino fresco.
4.3.2. Meio de cultura
O meio de cultura utilizado:
K2HPO4 (Fosfato dibásico de potássio) - 2g
KH2PO4 (Fosfato monobásico de potássio) - 20g
(NH2)2 CO(Uréia) – 3.5g
C3H8O3 - Glicerina P.A(Glicerol) – 20%(M/M), 25%(M/M), 30% (M/M) e
40%(M/M) como fonte de carbono.
Água destilada- 1L
4.4. Fase gasosa
As metodologias colorimétricas de análise foram realizadas em cartela de cores e
por coloração visual ou fotocolorímetro. Sendo realizada as análises pelo Kit biogás
EMBRAPA, na seringa de vidro com solução de Pré-tratamento 2 ( Figura 9 ). A
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52
determinação de CO2 realizada pela adaptação de método de Orsat. A diferença entre o
resultado de CO2 é a estimativa de metano presente.
Figura 9- Análise do Biogás
4.4.1 Coleta das amostras
Nas amostras de ensaio nos vidros de penicilina de 50 ml foi coletado o biogás,
retirando as seringas de cada amostra. Para a análise de H2S foram retirados amostras de
5mL e 20mL para a análise de CO2 e metano. Após a análise, foi anotado os resultados e
transferidos para uma tabela com a finalidade do estudo cinético.
4.4.2 Quantificação do biogás
Foi determinado a quantidade de Ácido Sulfídrico(H2S) e Gás Carbônico(CO2) e
metano.
Análise da amostra de Biogás por
estimativa. Quantidade de Metano e
de Dióxido de Carbono misturadas a
solução de Pré-Tratamento 2.
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53
4.5. Condições dos experimentos
A definição dos valores para cada nível das variáveis visaram a contenção de
condição supostamente ótima de crescimento desse micro-organismo. Assim, os níveis
foram definidos a partir da Tabela 6. Os experimentos e medidas experimentais foram
realizados como descrito anteriormente.
Tabela 6. Valores estabelecidos para os níveis das variáveis de trabalho.
Variáveis de
Trabalho
Níveis de Trabalho
-1 0 +1
pH 5,8 6,6 8,0
Concentração de
inóculo(g/l)
10% 20% 30%
Concentração
inicial da glicerina
20% 25% 30% e 40%
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54
5.RESULTADOS E DISCUSSÃO
Neste capítulo são apresentados e discutidos os resultados obtidos sobre os
seguintes tópicos: a) Produção de biogás em cada amostra em mL ao deslocar o êmbolo
da seringa ; b) Efeito do inóculo; c-) Efeito da concentração de glicerina ; d-) Efeito do
pH; e-) Análise do Quantitativo do Metano em cada amostra contido no biogás. Todos
sob temperatura de 35° C baseados nos resultados de Souza et at., (2005) que descreve
o melhor desempenho na produção de biogás a esta temperatura.
5.1. Efeito do substrato em pH 5,8 nas concentrações de 20%(M/M), 25%(M/M),
30%(M/M) e 40%(M/M) de glicerina e concentração de inóculos (dejetos bovinos)
10%(A1,B1,C1 e D1), 20%(A2, B2, C2 e D2), e 30%(A3, B3, C3 e D3).
Neste ensaio foi pesquisado o efeito da concentração do substrato com solução
de nutrientes em pH 5,8 em várias concentrações de inóculo. Na primeira etapa
analisou-se o volume de biogás produzido (Figura 5) e na segunda, quantificou-se os
percentuais gasosos componentes do biogás.
Analisando-se a figura 10, verificou-se que a produção de Biogás em mL, foi
mais acentuada nas amostras A1, A2 e A3 com a concentração de 20% de glicerina,
chegando ao seu máximo na amostra A3 com 42 mL, cujo inóculo 30% (M/M), obteve
maior produção de biogás visto que, apenas o inóculo também produz biogás como já
indica a literatura. Robra et al., (2006), utilizou dejetos bovinos em biodigestor
laboratorial tipo UASB, com 5% de glicerina e obteve 45% de produção de biogás na
média de 15 dias. Já TARRENTO & MARTINEZ(2006), utilizou 8% de inóculo
(dejetos bovinos e suínos) e obteve uma média de 50% à 60% de metano em período de
aproximadamente 60 dias. Por isso, para melhorar o desempenho no experimento na
produção do biogás, foi utilizado como parâmetro mínimo de substrato a porcentagem
de 20%(M/M) de glicerina.
Observando-se as séries B com concentração de glicerina de 25%(M/M), a
amostra B3 produziu 26 mL de biogás, com inóculo de 30%(M/M).
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55
Verifica-se que na figura 10, em todas as amostras A e B, o crescimento de
biogás iniciou-se no período de 48 horas, além de melhor produção com inóculo de 30%
(M/M) média de 9 dias.
0
10
20
30
40
50
24 48 72 96 120 144 168 192 216
Horas
Pro
du
ção
de B
iog
ás e
m m
l
A1
A2
A3
B1
B2
B3
Figura 10- Efeito das concentrações do substrato em pH 5,8 nas concentrações de
glicerina de 20% (A) e 25% (B)e inóculos 10%(A1 e B1), 20%(A2 e B2), e 30%(A3 e
B3).
Observando-se as séries C e D (Figura 11), houve dificuldade para produção de
biogás, o processo foi mais lento. Comparando-se com as amostras A e B de
concentrações de 20% e 25% de glicerina, as amostras que contém de 30% e 40% de
glicerina verifica-se uma diminuição do produto, indicando uma tendência inibitória do
substrato.
A inibição da formação do produto e crescimento microbiano foi fartamente
documentada na literatura para outros processos, principalmente na produção de etanol
tanto por S. cerevisiae quanto por Zymomonas mobilis (BORZANI et al., 2001;
PALHA, 1988). O fato de a glicerina ser um álcool provavelmente intensifica o efeito
bacteriostático em altas concentrações.
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56
0
5
10
15
20
25
24 48 72 96 120 144 168 192 216
Tempo(Horas)
Pro
du
ção
de B
iog
ás e
m m
l
C1
C2
C3
D1
D2
D3
Figura 11- Efeito da concentração do substrato em pH 5,8 nas concentrações de
glicerina de 30% (C) e 40% (D) e inóculos 10%(C1 e D1), 20%(C2 e D2), e 30%(C3 e
D3).
A figura 12 mostra toda a produção de biogás (em mL) nas concentrações de
20%(200g), 25%(225g), 30%(250g) e 40%(275g) de glicerina em pH 5,8 , com
inóculos de 10%(4g), 20%(8g) e 30%(12g), verificou-se que a quantidade de biogás
produzida em mL, diminuia com o aumento da concentração da glicerina.
Nas amostras A, B e C com 30%(M/M) de inóculo(12g), apenas A3, B3 e C3
obtiveram um resultado máximo de 42mL, 26mL e 20mL respectivamente.
Nas amostras C2 e C3 a produção de Biogás foi baixa atingindo volumes entre
7mL e 13 mL. Houve pouca produção de Biogás nos inóculos de 10% e 20%(M/M) na
concentração 30% de glicerina devido a sua alta densidade.
As amostras D não puderam ser analisadas pois a produção de biogás ficou
entre 3mL e 7 mL.
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Efeito do Substrato em pH 5,8 nas concentrações de glicerina
de 20%,25%,30% e 40%.
0
10
20
30
40
50
24 48 72 96 120 144 168 192 216
Tempo (horas)
Pro
du
ção
de B
iog
ás (
ml)
A1
A2
A3
B1
B2
B3
C1
C2
C3
D1
D2
D3
Figura 12- Efeito das concentrações do substrato em pH 5,8 nas concentrações de
glicerina de 20% (A), 25% (B), 30% (C) e 40% (D) e inóculos 10%(A1, B1, C1 e D1),
20%(A2, B2, C2 e D2), e 30%(A3, B3, C3 e D3).
O poder calorífico do biogás depende diretamente do seu teor de metano. Lucas
Júnior, (1987), analisando o biogás produzido em biodigestores modelos indiano e
chinês, pelo período de um ano, encontrou, em média, 57,7% de CH4 e 34,2% de CO2.
(SILVA et al., 2005). Na figura 13, mostra a análise dos componentes do biogás
realizada apenas nas amostras que obtiveram um volume mínimo 20mL de biogás .
Observou-se que A2 e A3 foram as que apresentaram os melhores resultados , obtendo
70% de metano pelo método de análise.
5.1.2. Avaliação da Produção de Biogás em % de CO2 e Metano nas amostras em
pH 5,8 nas concentrações de 20%, 25% e 30% de glicerina.
Na figura 13, verificou-se o percentual de produção de metano e Dióxido de
Carbono nas amostras que puderam ser analisadas.
As amostras A obtiveram resultados acima do encontrado na literatura ficando
entre 60% e 70% de metano. Nas amostras B e C, apenas a B3 e C3 obtiveram produção
de 26mL e 20mL. Obtendo-se valores entre 60% e 65% de metano nas amostras.
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Todas amostras analisadas obtiveram <20ppv ( parte por volume em 20mL) de
H2S e tiveram produção de metano entre 60% à 70% de metano.
A amostra A3 obteve máxima produção de metano de 70%.
Avaliação da Produção de Biogás em % de C02 e Metano
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
A1 A2 A3 B3 C3
Amostras
Pro
du
çã
o d
e B
iog
ás
em
%
CO2
Metano
Figura 13- Avaliação em porcentagem do metano e CO2 em pH 5,8
5.2. Efeito do substrato em pH 6,6 nas concentrações de 20%(M/M), 25%(M/M),
30%(M/M) e 40%(M/M) de glicerina e concentrações de inóculos (dejetos
bovinos) 10%(A1,B1,C1 e D1), 20%(A2, B2, C2 e D2), e 30%(A3, B3, C3 e D3).
Neste ensaio foi observado o efeito da concentração do substrato em várias
concentrações de inóculo(10%, 20% e 30%) com pH 6,6 , nas concentração de 20%,
25%,30% e 40% de glicerina. Na primeira etapa analisou-se o volume de biogás
produzido e na segunda, quantificou-se os percentuais gasosos componentes do biogás.
Analisando-se a figura 14, verifica-se que a produção de biogás em mL, foi
mais acentuada nas amostras A1, A2 e A3 com a concentração de 20% de glicerina,
chegou ao seu volume máximo na amostra A3, cujo inóculo foi de 30%.
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59
A maior produção em volume foi na amostra A3 (Figura 14) que continha 20%
de glicerina e 30% de inóculo e gerou biogás total de 67 mL. Todas as amostras que
continham 20% de glicerina (amostras A) puderam ser analisadas tendo em média de
12mL à 67 mL de produção de gás. As amostras A1, A2 e A3 tiveram um percentual de
55%, 60% e 65% com produção de metano respectivamente.
Entre as amostras que continham 25% de glicerina (amostras B), as amostras B2
e B3 tiveram 23mL e 36 mL, respectivamente, e valor em percentual de metano de 50%
e 55%.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
24 48 72 96 120 144 168 192 216
Horas
Pro
du
ção
de B
iog
ás e
m m
l
A1
A2
A3
B1
B2
B3
Figura 14- Efeito das concentrações do substrato em pH 6,6 nas concentrações de
glicerina de 20% e 25% e inóculos 10%(A1 e B1), 20%(A2 e B2), e 30%(A3 e B3).
Analisando-se a figura 15, verificou-se que a produção de biogás em mL,
decrescente com o aumento da concentração de glicerina. Os volumes máximos obtidos
foram de 29 mL na amostra C3 e 12mL e na amostra D3 esta última apresentou baixa
produção de biogás.
As amostras que continham 30% de glicerina e 30% (Figura 15) de inóculo
apresentou produção de 20mL de biogás. Apenas a amostra de 30% de glicerina com
30% de inóculo gerou 20ml de biogás e um valor em percentual de 55% de metano.
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60
0
5
10
15
20
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35
24 48 72 96 120 144 168 192 216
Tempo(Horas)
Pro
du
çao
de B
iog
ás e
m m
l
C1
C2
C3
D1
D2
D3
Figura 15- Efeito da concentração do substrato em pH 6,6 nas concentrações de
glicerina de 30% e 40% e inóculos de 10%, 20% e 30% e inóculos 10%(C1 e D1),
20%(C2 e D2), e 30%(C3 e D3).
De acordo com a Figura 16, mostra a quantidade de Biogás produzida em mL,
nas concentrações de 20%(200g), 25%(225g), 30%(250g) e 40%(275g) de glicerina,
com inóculos de 10%(4g), 20%(8g) e 30%(12g) em pH 6,6.
As amostras A2 e A3 apresentaram a melhor produção de biogás com volumes
acima de 67 mL e percentual em torno de 65% de metano.
As amostras tipo C e D apresentaram pouca produção de biogás.
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61
Efeito do Substrato em pH 6,6 nas concentrações de glicerina
de 20%,25%,30% e 40%.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
24 48 72 96 120 144 168 192 216
Tempo(Horas)
Pro
du
ção
de B
iog
ás e
m
ml
A1
A2
A3
B1
B2
B3
C1
C2
C3
D1
D2
D3
Figura 16- Efeito das concentrações do substrato em pH 6,6 nas concentrações de
glicerina de 20%, 25%, 30% e 40% e inóculos 10%(A1, B1, C1 e D1), 20%(A2, B2, C2
e D2), e 30%(A3, B3, C3 e D3).
5.2.1. Avaliação da Produção de Biogás em % de CO2 e Metano nas amostras em
pH 6,6 nas concentrações de 20%,25% e 30% de glicerina.
O metano contido no biogás (Figura 17) nas amostras A e B, tiveram uma média
entre 50% à 65%. Sendo a amostra A3(glicerina 20%, 30% de inóculo em pH 6,6)
obtido um valor de 65%, sendo a amostra A3 a que apresentou o maior percentual de
metano gerado em 65%.
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Avaliação da Produção de Biogás em % de CO2 e Metano em pH 6,6
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
A1 A2 A3 B2 B3 C3
Amostras
Pro
du
ção
de B
iog
ás e
m %
CO2
CH4
Figura 17- Avaliação em porcentagem do metano e CO2 em pH 6,6.
5.3. Efeito do substrato em pH 8.0 nas concentrações de 20%(M/M), 25%(M/M),
30%(M/M) e 40%(M/M) de glicerina e inóculos 10%(A1, B1, C1 e D1), 20%(A2,
B2, C2 e D2), e 30%(A3, B3, C3 e D3).
Neste ensaio foi observado o efeito da concentração do substrato em várias
concentrações de inóculos (10%, 20% e 30%) em pH 8.0, nas concentração de
20%,25%, 30% e 40% de glicerina. Na primeira etapa analisou-se o volume de biogás
produzido e não houve deslocamento do embolo da seringa na produção de Biogás que
em nenhuma das amostras não houve produção de Biogás.
Soares (1997) relatou que o pH está intimamente ligado a concentrações de
ácidos orgânicos voláteis no meio, resultante do equilíbrio entre populações de
microorganismos e a alcalinidade total do sistema. Portanto, qualquer desequilíbrio no
sistema provoca o acúmulo de ácidos orgânicos no meio e conseqüentemente queda do
pH. Segundo o autor os valores de pH abaixo de 6 e acima de 8, praticamente fizeram
cessar a produção de metano.
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Dessa forma, não pode ser analisado o percentual de metano pois, houve
produção baixa em volume de biogás. O pH 8,0 não ofereceu condições para a produção
de biogás.
5.4. Efeito da Concentração de glicerina nas concentrações de 10%,20%,25%,
30% e 40% de glicerina, com concentração de inóculo 30%(M/M) e pH 5,8 na
Produção de Metano.
Os melhores resultados (figura 18) foram com 30% de inóculo, pH 5,8 em todas
as concentrações de glicerina utilizadas. Obteve-se 35% de metano com 10%(M/M) de
glicerina; 70% de metano com 20%(M/M) de glicerina; 65% de metano com
25%(M/M) de glicerina; 60% de metano com 30%(M/M) de glicerina e 0% de metano
com 40%(M/M) de glicerina.
A produção máxima obtida de metano foi com 20%(M/M) de glicerina. Quando
se aumenta a concentração de glicerina, a produção de biogás é reduzida chegando a
zero em 40%(M/M) de glicerina. A concentração de 10% de glicerina atingiu 35% de
metano ficando abaixo do valor encontrado por Souza et al., (2007) que define biogás
como uma mistura gasosa composta principalmente de: 40% á 70% de metano (CH4),
dessa forma, esta concentração de glicerina não satisfaz para o referido trabalho; além
da amostra com concentração de 40% de glicerina que não obteve nenhuma produção
de biogás, indicando uma possível inibição pelo substrato nas condições em estudo. A
inibição por substrato é um fato reconhecido e largamente documentado por vários
autores ( CHAMY et al.,2003; BORZONI et al., 2001 ).
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0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
10%(m/m) 20%(m/m) 25%(m/m) 30%(m/m) 40%(m/m)
Concentração de glicerina em %(M/M)
Pro
du
ção
de M
eta
no
(em
%)
Concentração de 30% inóculo
Figura 18- Avaliação em porcentagem de metano, na concentração de 30%(M/M) de
inóculo, em pH 5,8 nas concentrações de 10%(M/M), 20%(M/M), 25%(M/M),
30%(M/M) e 40%(M/M) de glicerina.
De acordo as figuras 12 e 16, a quantidade de biogás produzida, diminui com o
aumento da concentração da glicerina. A quantidade de biogás produzido nas amostras
em pH 5,8 ( Figura 12) é menor em volume que as amostras que em pH 6,6 (Figura 16).
Em contrapartida a melhor produção percentual de metano foram em pH 5,8 , amostras
tipo A e B (Figura 10) que apresentaram resultados entre 60% e 70% de metano, já as
do tipo A e B em pH 6,6 (Figura 14) obtiveram resultados entre 50% e 65% de metano.
O pH no início do processo (fase ácida) diminui devido a formação de ácidos
orgânicos. Na fase metanogênica estes ácidos são convertidos e o pH aumenta
(CORTEZ, et al., 1996).
Segundo Souza et at., (2005) o pH deverá estar próximo à neutralidade. Porém
os experimentos em pH 5,8 obteve-se a melhor produção de metano, esse pH era
medido no inicio do processo e não modificado ao longo do mesmo. Assim, pode-se
dizer que o pH inicial interfere nos resultados finais do processo.
Analisando-se o meio nutritivo, observa-se que a concentração de 20% de
glicerina em pH 5,8 ( Figura 19) obteve os melhores resultados de biogás e metano em
independente da concentração do inóculo.
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Figura 19- Amostras em pH 5,8 , 6,6 e 8,0
As amostras conduzidas em pH 8,0 (no inicio do processo) não apresentaram
produção de biogás em todas as concentrações de glicerina e inóculo como pode ser
visto na figura 19, onde o êmbolo do coletor de biogás não sofreu deslocamento.
Amostras em pH 5,8 Amostras em pH 6,6 Amostras em pH 8,0
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1k
2k
k
5.5. Avaliação da Cinética Fenomenológica do Processo de Produção de biogás.
Tendo em vista a descrição do comportamento cinético do processo de produção
de biogás a partir do glicerol (forma pura da glicerina), foi proposto esse modelo
cinético do tipo Fenomenológico que considera as taxas de reações em relação à
formação de metano e gases secundários como sendo de 1º ordem, a figura 20
representa o mecanismo global proposto para a reação:
G CH4
GASES SECUNDÁRIOS
Figura 20- Mecanismo Fenomenológico proposto para formação do biogás
Para identificar a taxa de reação global, foi considerado, as etapas paralelas 1k e
2k , como sendo uma única etapa k , a partir do mecanismo simplificado para formação
do biogás, conforma é apresentada na figura 21.
BGG
Figura 21- Mecanismo Simplificado do processo de produção do biogás a partir do
glicerol e inóculos de dejetos bovinos.
Tomando como base a abordagem a partir do mecanismo simplificado,
efetuando-se balanços de massa para o biogás e o glicerol este último considerado em
excesso, obtendo-se a seguinte expressão para o fluxo de formação do biogás:
SolBG VFBG
(1)
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Onde B G
é a taxa de reação e SolV é o volume da solução no biorreator.
Admitindo-se o Fluxo molar de formação do biogás como sendo a variação do
número de mols do biogás formado em função da variação do tempo, tem-se:
dt
dNF BG
BG
(2)
Efetuando-se o balanço molar para taxa de reação da formação do biogás, tem-
se:
dt
dV
RT
P
Vdt
dN
V
BG
BG
BG
Sol
BG
solBG
11
(3)
Substituindo a equação (2) na equação (1), obtem-se a seguinte equação:
solBGBG V
dt
dN
(4)
Rearranjando a equação (4), tem-se:
dt
dN
V
BG
sol
BG
1
(5)
Como:
TRNVP BGBGBG (6)
Logo, considerando a pressão BGP aproximadamente igual a pressão
atmosférica, obtem-se a seguinte equação para o número de mols do biogás formado
durante o processo.
TR
VPN BGatm
BG (7)
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Substituindo a equação (7) na equação (5), tem-se:
dt
dV
RT
P
V
BGatm
sol
BG
1
(8)
Então, tem-se a equação global do processo da produção de biogás como:
GBG
Sol
Ckdt
dV
RT
P
V
1
(9)
Sabe-se que:
G
GG
V
NC
(10)
Onde GC é a concentração do glicerol e GN o número de mols do glicerol
envolvido no processo, logo substituindo a equação (10) em (9), tem-se:
GBGatm Nk
dt
dV
RT
P
(11)
Admitindo-se o avanço para o glicerol em função do número de mols consumido
tem-se:
BGBG N
dt
dN0868,0
(12)
Integrando a equação (12) temos:
tBG
BG
BG tdN
dN
00 0868,0
(13)
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Rearranjando a equação (13) temos:
0101
0 0868,00868,0
tt
Nn
tt
N
dN
k BG
N
BG
BGBG
(14)
Substitui-se os valores da Tabela 7 na equação (14) obtemos vários k para cada
intervalo de tempo.
Dessa forma, foi calculado um médio e plotado um gráfico (Figura 22) do estudo
cinético da formação do biogás nas condições operatórias: T= 35º C sem agitação, pH
5,8 , concentração de glicerina de 20% e concentração de inóculo 30% em vários
tempos.
Observa-se que com o aumento das horas a produção de biogás fica acentuada
ficando constante a partir do sétimo dia isso é devido pelas produções dos gases metano
e dióxido de carbono que atinge-se uma composição constante prevalecendo as
atividades metanogênicas.
0
0,0002
0,0004
0,0006
0,0008
0,001
0,0012
0,0014
0,0016
0,0018
0 50 100 150 200 250
Tempo (horas)
NB
G NBG
NBG
Figura 22- Estudo cinético da formação do biogás nas condições operatórias
(20% de gicerina, 30% de inóculo em pH 5,8 sob temperatura de 35º C sem agitação).
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6.Conclusões:
O resultado desta pesquisa sugere que a quantidade de inóculo tem grande
influência na produção de biogás, quanto mais inóculo maior quantidade de micro-
organismos e rápida a produção de biogás. Quanto ao inóculo em conjunto com a
glicerina, a melhor produção de biogás que apresenta melhor rendimento foi a amostra
A3 (concentração de 20% de glicerina, 30% de inóculo e pH 5,8 em temperatura de 35
° C sem agitação), obtendo volumetricamente 42mL de biogás e 70% metano. Estas
condições favoreceram o processo de fermentação e as etapas de produção de Biogás .
Quando aumentamos a quantidade de glicerina, a produção de biogás é muito
lenta, produz um volume de biogás muito baixo em torno de 5mL. Isso ocorre devido a
alta densidade da glicerina.
Vale salientar algumas observações importantes para produção do biogás:
O deslocamento do êmbolo da seringa, ou seja, produção de biogás em maior
quantidade nas amostras em pH 6,6 , nas variáveis de concentração de glicerina.
As amostras que continham o ph 8,0 não apresentaram produção de biogás.
O volume máximo de produção do biogás são de no máximo 9 dias para
obtenção de 55% à 70% de metano nas melhores condições para cada amostra.
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Das avaliações quantificadas do biogás:
As amostras com 20% de glicerina em pH 5,8 (10%, 20% e 30% de inóculo)
tiveram a média de produção de metano de 60% á 70%.
As amostras com 20% de glicerina em pH 6,6 (10%, 20% e 30% de inóculo)
tiveram a média de produção de metano de 55% á 60%.
As amostras com 25% de glicerina com pH 5,8 , apenas a amostra B3 (30% de
inóculo) teve produção máxima de metano de 65%.
Das amostras com 30% de glicerina, pH 6,6 (10%, 20% e 30% de inóculo)
tiveram a média de produção de metano de 55% á 65%.
O melhor resultado foi com a concentração de glicerina de 20%, pH 5,8 e com
20% de inóculo.
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Dissertação de Mestrado – FLÁVIA GARRETT AZEVEDO
ESTUDO DAS CONDIÇÕES AMBIENTAIS PARA PRODUÇÃO DE BIOGÁS A PARTIR DE GLICEROL COPRODUTO DO BIODIESEL-2010.
79
7. APÊNDICE A
7.1 -Composição dos reagentes:
- Sulfeto 1: Solução a base de N,N- dimetil- 1,4-Fenilenodiamônio Bicloridrato
em meio ácido.
- Sulfeto 2: Solução a base de Sulfeto de Amônio e Ferro III.
- Pré-Tratamento 1: Água desionizada e acetato de zinco;
- Pré-Tratamento 2: Água desionizada e básica.
7.2-Faixa de análise dos parâmetros:
- Gás Sulfídrico:
Cartela: Faixa 1: 20 – 610 ppmV/ Faixa 2: 30 – 1020 ppmV
Fotocolorímetro: Faixa 1: 20 – 230 ppmV/ Faixa 2: 30- 380 ppmV
- Gás Carbônico : 0 – 100%
7.3 Determinação de Ácido Sulfídrico(H2S) no Biogás
a-) Em uma cubeta plástica de 50ml, adiciona-se 10ml de água desionizada e 2
gotas de Solução Pré-Tratamento 1 e agita a cubeta;
b-) Com a seringa para gás sulfídrico, confere se a mangueira da seringa está
aberta e aspira a solução da cubeta até a marca (5 ml);
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c-) Conecta a seringa da amostra com a mangueira da seringa;
d-) Aspira-se lentamente na seringa 5ml de biogás;
f-) Com o estrangulador, fecha a mangueira da seringa e do amostrador de
biogás;
g-) Desconecta as mangueiras que ligam a seringa e o amostrador;
h-) Agita-se a seringa por aproximadamente 2 minutos;
i-) Transfere-se a solução para cubeta de vidro para análise colorimétrica.
7.4 Análise Colorimétrico
a-) Adiciona-se 5 gotas do reagente Sulfeto 1 na cubeta de vidro com a amostra e
agitando-se.
b-) Adiciona-se 2 gotas do reagente Sulfeto 2 e agita-se em seguida;
c-) Aguarda o tempo de reação por 10 minutos;
d-) Compara-se a intensidade de cor desenvolvida com as cores da cartela e
fazendo a leitura da concentração de ácido sulfídrico em ppmV (mLm-3
) dos números
em preto.
7.5 Determinação de Gás Carbônico(CO2) no Biogás
Figura 23: Suporte para determinação de gás carbônico no biogás
a-) Com o suporte na posição horizontal, verifica-se as seringas e as mangueiras
se estão corretamente conectadas. Para deslizar mais facilmente passar vaselina no
êmbolo da seringa.
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81
b-) A seringa de plástico é desconectada e são coletados 5mL de Pré-Tratamento
2;
c-) A seguir, a seringa é recolocada na mesma posição no suporte;
d-) Abrir o amostrador para sair um pouco de biogás e conectar imediatamente
no suporte.
e-) Abrir a entrada da seringa de vidro, girando a conexão para posição”B”
indicada no suporte, como mostra a figura 23.
f-) Com a seringa de vidro, o biogás deve ser sugado e descartado pelo menos
duas vezes, abrindo e fechando rapidamente o encaixe das mangueiras;
g-) A seguir o biogás é coletado na seringa de vidro, também sugando pelo
menos duas vezes, com o encaixe fechado.
h-) Com auxílio do estrangulador de plástico, o amostrador e a entrada da
seringa são fechadas. A seguir, a conexão entre as seringas é aberta, girando-se para a
posição “A”;
i-) O suporte é girado deixando-se na posição vertical, com a seringa de vidro,
segurando com as duas mãos, uma em cada seringa.
j-) Com o polegar, empurrar o êmbolo da seringa de vidro para borbulhar o
biogás para a outra seringa com solução. Com a outra mão, puxar o êmbolo da seringa
de plástico até que necessário, ajudando a transferência do gás;
l-) Ao terminar de borbulhar o biogás da seringa de vidro, continuar segurando o
êmbolo com o polegar e fecha a conexão, girando a torneira para a posição”B”;
m-) Agita-se como cuidado o conjunto por 2 minutos;
n-) O suporte deve ser posicionado novamente na posição vertical, agora com a
seringa de plástico para baixo. Em seguida, a conexão entre as seringas é aberta
novamente, girando-se a válvula para a posição “A”,
o-) O êmbolo da seringa de plástico deve ser empurrado com o polegar,
passando todo o gás para a seringa de vidro.
p-) Ao final da passagem do gás, se necessário, inclinar o suporte para frente, de
maneira a não ficar gás na seringa de plástico, com muito cuidado para não passar
solução.
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q-) Sem diminuir a pressão na seringa com solução, fechar a conexão, girando a
torneira para a posição “B”.
r-) Na posição horizontal, fazer a leitura do volume de gás que voltou,
utilizando a escala auxiliar no suporte, que resulta na porcentagem de gás carbônico.
RESULTADO : % CO2 = leitura direta na escala do suporte.
8. APÊNDICE B
8.1 Efeito do substrato em pH 5,8 nas concentrações de 20%,25% e 30% de
glicerina.
Tabela 7- Produção de Biogás mL em pH 5,8
Amostras A – Contém 20% (M/M)de glicerina ( 200g) em pH 5,8 : A1 com
10% de inóculo(4g); A2 com 20% de inóculo (8g); A3% com 30% de inóculo (12g).
Amostras B – Contém 25% de glicerina ( 225g) em pH 5,8 : B1 com 10% de
inóculo(4g); B2 com 20% de inóculo(8g); B3 com 30% de inóculo(12g). Amostras C –
Contém 30% de glicerina ( 250g) em pH 5,8 : B1 com 10% de inóculo(4g); B2 com
20% de inoculo(8g); B3 com 30% de inóculo(12g).
AMOSTRAS/TEMPO 24h 48h 72h 96h 120h 144h 168h 192h 216h
A1 0 8 10 12 17 17 22 22 22
A2 0 8 11 25 34 39 39 39 39
A3 0 8 26 35 38 39 40 42 42
B1 0 2 2 4 4 10 11 18 20
B2 0 3 8 8 10 11 15 19 22
B3 0 6 16 18 20 22 22 26 26
C1 0 2,5 2,5 3 3 5 7 7 7
C2 0 2 2 2 3 4 8 8 13
C3 0 2 2 2 4 4 4 6,5 20
D1 0 2 2 4 4 4 4 4 4
D2 0 2 2 3 4 4 4 4 4
D3 0 2 2 2 2 3 3 3 4
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8.2. Efeito do substrato em pH 6.6 nas concentrações de 20%,25% e 30% de
glicerina.
Tabela 8- Produção de Biogás mL em pH 6,6
Amostras A – Contém 20% de glicerina ( 200g) em pH 6,6 : A1 com 10% de
inóculo(4g); A2 com 20% de inóculo (8g); A3% com 30% de inóculo (12g). Amostras
B – Contém 25% de glicerina ( 225g) em pH 6,6 : B1 com 10% de inóculo(4g); B2 com
20% de inóculo(8g); B3 com 30% de inóculo(12g). Amostras C – Contém 30% de
glicerina ( 250g) em pH 6.6 : B1 com 10% de inóculo(4g); B2 com 20% de
inoculo(8g); B3 com 30% de inóculo(12g).
AMOSTRAS/TEMPO 24h 48h 72h 96h 120h 144h 168h 192h 216h
A1 0 0 2 2 4 8 10 11 12
A2 0 4 8 14 20 45 63 63 63
A3 0 6 16 38 45 67 67 67 67
B1 0 4 4 6 15 21 11 11 11
B2 0 8 8 8 15 27 15 19 23
B3 0 10 16 18 20 26 26 30 36
C1 0 4 4 4 5 6 6 8 8
C2 0 4 4 4 8 8 8 10 15
C3 0 8 8 8 10 12 14 18 29
D1 0 2 2 4 4 4 4 4 4
D2 0 4 5 5 7 8 8 8 8
D3 0 6 6 8 10 12 12 12 12
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8.3. Efeito do substrato com pH 8.0 nas concentrações de 20%,25% e 30% de
glicerina.
Tabela 9- Produção de Biogás mL em pH 8.0
Amostras A – Contém 20% de glicerina ( 200g) em pH 8,0 : A1 com 10% de
inóculo(4g); A2 com 20% de inóculo (8g); A3% com 30% de inóculo (12g). Amostras
B – Contém 25% de glicerina ( 225g) em pH 8,0 : B1 com 10% de inóculo(4g); B2 com
20% de inóculo(8g); B3 com 30% de inóculo(12g). Amostras C – Contém 30% de
glicerina ( 250g) com pH 8,0 : B1 com 10% de inóculo(4g); B2 com 20% de
inoculo(8g); B3 com 30% de inóculo(12g).
AMOSTRAS/TEMPO 24h 48h 72h 96h 120h 144h 168h 192h 216h
A1 0 0 0 0 0 0 0 0 0
A2 0 0 0 0 0 0 0 0 0
A3 0 0 0 0 0 0 0 0 0
B1 0 0 0 0 0 0 0 0 0
B2 0 0 0 0 0 0 0 0 0
B3 0 0 0 0 0 0 0 0 0
C1 0 0 0 0 0 0 0 0 0
C2 0 0 0 0 0 0 0 0 0
C3 0 0 0 0 0 0 0 0 0
D1 0 0 0 0 0 0 0 0 0
D2 0 0 0 0 0 0 0 0 0
D3 0 0 0 0 0 0 0 0 0
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9. APÊNDICE C
9.1- Modelagem Matemática
De modo geral, tem-se:
1G (glicerina) 3 BG (biogás)
Dados do experimento:
Considerando a pressão interna do biorreator igual a pressão atmosférica:
atmBG PP
Solução inicial = V inicial = 40 mL
kmol
atmlR 082,0
KT 30835273
RT
PVN BG
BG
Para Glicerina:
1 mol - 92g – 1 L
2,17mL – 200g - 40 mL
Avançando tem-se:
; BGGG NNNo
É calculado os valores e transcritos na Tabela 10.
11
BGGG NNNX o
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Tabela 10- Valores do Mecanismo Fenomenológico do biogás em vários intervalos de
tempo
t BGV
TR
VPN
BGBG
BG BGGG NNN
o
24 0 0 0,0868
48 0,008 0,000317 0,0865
72 0,026 0,001029 0,0857
96 0,035 0,001386 0,0854
120 0,038 0,001504 0,0853
144 0,039 0,001544 0,0852
168 0,040 0,001583 0,0852
192 0,042 0,001663 0,0851
Substitui-se os valores da tabela 10, e utiliza-se a equação(14) par obter o k em
Ada intervalo de tempo.
0101
0 0868,00868,0
tt
Nn
tt
N
dN
k BG
N
BG
BGBG
(14)
Substituindo os valores temos:
Para t= 48 h ;
01
0868,0
tt
Nnk BG
; 2448
00868,0
000317,00868,0n
k
; 24
9963,0nk
;
310524,1k
Para t= 72 h ;
01
0868,0
tt
Nnk BG
; 4872
000317,00868,0
001029,00868,0n
k
; 24
09911,0nk
;
310444,3k
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87
Para t= 96h ;
01
0868,0
tt
Nnk BG
;7296
001029,00868,0
001386,00868,0n
k
; 24
9958.0nk
;
310753,1k
Para t= 120h ;
01
0868,0
tt
Nnk BG
;96120
001386,00868,0
001504,00868,0n
k
; 24
9944.0nk
;
310760,5k
Para t= 144h ;
01
0868,0
tt
Nnk BG
;120144
001504,00868,0
001544,00868,0n
k
; 24
99953.0nk
;
310954,1k
Para t= 168h ;
01
0868,0
tt
Nnk BG
;144168
001544,00868,0
001584,00868,0n
k
; 24
99953.0nk
;
310955,1k
Para t= 192h ;
01
0868,0
tt
Nnk BG
;168192
001584,00868,0
001663,00868,0n
k
; 24
99907.0nk
;
3108645,3k
Para t= 216h ;
01
0868,0
tt
Nnk BG
;168192
001584,00868,0
001663,00868,0n
k
; 24
99907.0nk
;
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3108645,3k
Após ter os valores dos diferentes k em cada intervalo de tempo, foi calculado o
k médio que é 001797,0k . Foi plotado um gráfico no Excel (Figura 22), que
descreve o estudo cinético da formação do biogás nas condições operatórias (20% de
gicerina, 30% de inóculo em pH 5,8 sob temperatura de 35º C sem agitação).